Gesucht: Sterilität für mehr Ertrag

Neues Sterilitätsgen ebnet den Weg zu leistungsstarken Hybridsorten

10.11.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Weizen ist das weltweit am häufigsten angebaute Getreide weltweit. (Bildquelle: © pixabay; CC0)
Weizen ist das weltweit am häufigsten angebaute Getreide weltweit. (Bildquelle: © pixabay; CC0)

Weizen ist ein Selbstbefruchter. Das machte bisher die Züchtung von Hybridsorten sehr schwierig, da zu deren Herstellung Fremdbefruchtung notwendig ist. Ein Forschungsteam hat nun eine Mutation entdeckt, die Weizen männlich steril macht. Mit diesem Sterilitätsgen könnten in Zukunft hochertragreiche Weizen-Hybridsorten gezüchtet werden.

Im Jahr 2050 werden vermutlich mehr als neun Millionen Menschen auf der Erde leben. Die FAO (Food and Agriculture Organisation of the United Nations) hat deswegen das Ziel ausgegeben, dass bis 2050 die Produktion von Grundnahrungsmitteln um 60 Prozent gegenüber der heutigen Produktion gesteigert werden muss. Nur so könne die Grundversorgung der Menschen sichergestellt werden. Insbesondere die Ernteerträge der wichtigsten Grundnahrungsmittel (Mais, Reis, Weizen) sind daher im Fokus der Züchtung. Besonders dem Weizen (Triticum aestivum) kommt eine wichtige Rolle zu: Er liefert etwa 20 Prozent des weltweiten Kalorienbedarfs und ist das am häufigsten angebaute Getreide. Ein Forschungsteam hat daher in einer neuen Studie erforscht, wie die Erträge beim Weizen gesteigert werden können.

Hybridzüchtung

Um höhere Ernteerträge bei Getreiden zu erreichen, nutzt man seit den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts die sogenannte Hybridzüchtung. Die hierbei entstehenden Pflanzen (F1-Generation) sind Kreuzungen (Hybriden) aus zwei reinerbigen Elternteilen (P-Generation), die stark auf gewünschte Eigenschaften selektiert wurden (Inzuchtlinien). Die F1-Generation hat nicht nur die gewünschten Eigenschaften der Eltern, sondern ist auch deutlich vitaler und damit leistungsfähiger, mit Ertragssteigerungen bis zu 10 Prozent. Dieser Effekt wird Heterosiseffekt genannt. Nachteil: Er tritt nur bei der F1-Generation auf, Nachkommen der F1-Generation (F2-Generation) sind in der Regel wieder weniger leistungsfähig und können auch negative Eigenschaften der Elterngeneration (P-Generation) aufweisen.

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Ausgehend von bekannten Genen auf Chromosomen von Reis, Gerste und der hier abgebildeten Zwenke (Brachypodium distachyon), konnte ein Forschungsteam jetzt eine Genmutation identifizieren, die beim Weizen eine männliche Sterilität bewirkt: Das Gen Ms1.

Ausgehend von bekannten Genen auf Chromosomen von Reis, Gerste und der hier abgebildeten Zwenke (Brachypodium distachyon), konnte ein Forschungsteam jetzt eine Genmutation identifizieren, die beim Weizen eine männliche Sterilität bewirkt: Das Gen Ms1.

Bildquelle: © Harry Rose/Flickr/CC BY 2.0

Daher ist das Verwenden von Saatgut aus der Ernte einer Hybridsorte für die Aussaat im nächsten Jahr in der Regel mit größeren Ertragsverlusten verbunden. Das bedeutet, dass leistungsfähiges Saatgut immer wieder neu durch Kreuzung von zwei Inzuchtlinien produziert und von den Landwirten nachgekauft werden muss. Statt wie früher Teile der Ernte im nächsten Jahr als Saatgut zu verwenden (Nachbau), entstehen für den Bauern höhere Kosten, die durch den Mehrertrag der Hybriden ausgeglichen oder übertroffen werden müssen. Beim Mais, der klassischen Hybridpflanze, ist dies in der Regel der Fall, so dass sich im Anbau weltweit Hybriden durchgesetzt haben. Immer öfter werden Hybridzüchtungen aufgrund ihrer deutlich besseren Performance eingesetzt.

Das Problem mit dem Weizen

Hybridzüchtungen kommen vor allem bei Mais, Reis und Roggen zur Anwendung. Dazu muss aber die Selbstbestäubung dieser Pflanzen verhindert werden, damit bei der Kreuzung auch definitiv die erwünschten Eigenschaften des Kreuzungspartners weiter gegeben werden. Weizen ist hier im Gegensatz zu Mais und Reis schwieriger in der Handhabung, da er sich größtenteils selbstbestäubt und dazu noch kleistogam ist. Das bedeutet, dass sich die Selbstbestäubung innerhalb der geschlossenen Blüte abspielt.

Um das Problem der Selbstbestäubung zu beseitigen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Neben einer Behandlung auf chemischem Weg, die die Pollen unfruchtbar macht, suchte das Forschungsteam nach einer Mutation, mit dem man die Selbstbestäubung ausschalten kann. Das ergibt beim Weizen aber ein Problem: Er hat ein fünfmal größeres Genom als der Mensch. Noch dazu ist Weizen hexaploid, besitzt also einen sechsfachen Chromosomensatz. Geeignete Mutationen, also die entsprechenden Allele, ausfindig zu machen, ist daher recht kompliziert. Denn die Mutation eines Gens hat eine umso geringere Auswirkung im Phänotyp, je öfter das gleiche Gen ohne Mutation im Genom vorhanden ist (Gen-Redundanz).

Sterilitäts-Gen eingekreuzt

Ausgehend von bekannten Genen auf Chromosomen von Reis, Gerste und Zwenke (Brachypodium), konnte ein Forschungsteam jetzt eine Genmutation identifizieren, die beim Weizen eine männliche Sterilität bewirkt. Das Gen Ms1 (male sterile 1) codiert die Herstellung eines Exins (ein wichtiger Baustein der Pollenhülle). Die entdeckte, rezessive Mutante (ms1) veränderte die Struktur der Hülle der sich entwickelnden Pollen. Werden Pflanzen mit dieser Gen-Mutante bei der Züchtung eingesetzt, entsteht eine rein weibliche Mutterlinie, die mit einer "normalen", pollenproduzierenden Inzuchtlinie gekreuzt werden kann. Daraus entsteht eine voll fertile F1-Hybrid-Generation.

Das Forschungsteam ist zuversichtlich, dass mit der Identifikation dieser Mutante zukünftig auch beim Weizen leistungsfähige Hybridsorten kostengünstig erzeugt werden können. Derzeitig werden Weizenhybriden mit agronomischer Relevanz ausschließlich mit Hilfe chemischer Mittel, sogenannter Gametozide, erzeugt. Diese chemischen Substanzen führen zur männlichen Sterilität einer der Inzuchtlinien und ermöglichen so eine gezielte Bestäubung durch die zweite Inzuchtlinie. Die daraus resultierende F1-Generation zeigt dann den gewünschten Heterosis-Effekt. Deutlich erfolgsorientierter sind genetisch verankerte Systeme. Sogenannte CMS-Systeme, die eine cytoplasmatisch-männliche Sterilität erzeugen und sich mittels Restorergene gezielt ein- und ausgeschaltet lassen. Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt ein neues und leistungsfähigeres System einer kernkodierten männlichen Sterilität bei Weizen. 

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