„Must have“ Gene der Sonnenblume im Visier

Forscher haben im Rahmen des PLANT 2030-Projekts „SUNRISE“ wichtige genetische Daten der Sonnenblume geliefert. Diese können für neue innovative Züchtungsmethoden genutzt werden. Ein entscheidendes Ergebnis des Projektes ist, dass molekulare Marker für wichtige Resistenzgene gegen den Falschen Mehltau, einer gefürchteten Krankheit der Sonnenblume, identifiziert werden konnten.

Die Sonnenblume (Helianthus annuus) ist eine weltweit wichtige Ölpflanze. 2013 wurden rund 44 Millionen Tonnen Sonnenblumenkerne weltweit geerntet und 12 Mio. Tonnen Sonnenblumenöl produziert. Damit ist das Sonnenblumenöl nach Palm-, Soja- und Rapsöl, das viertwichtigste Pflanzenöl. Da ist es nicht verwunderlich, dass Pflanzenzüchter den Ertrag von Sonnenblumen verbessern wollen. Jedoch werden Sonnenblumen nicht nur von Menschen begehrt, sondern auch von diversen Schädlingen. Der Falschen Mehltau ist eine Krankheit, die durch den Scheinpilze Plasmopara halstedii ausgelöst wird und zu hohen Ertragseinbußen führen kann. Neben der Steigerung der Erträge liegt auch deren Sicherung im Interesse von Züchter und Landwirten.

Doch, um schnell und kostengünstig neue, widerstandsfähige Sorten zu entwickeln, fehlte der Sonnenblumenzüchtung bis vor kurzem das passende molekulare Handwerkszeug.

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Das Projekt „SUNRISE“ liefert wertvolle genetische Daten

Um die Züchter zu unterstützen und weitere Daten für die Grundlagenforschung zu erhalten, arbeitete ein deutsches Forscher-Konsortium im Rahmen des PLANT 2030-Projekts „SUNRISE“ bis März 2015 an der Entwicklung von molekularen und genetischen Ressourcen der Sonnenblume. Die Technische Universität München und die Universität Hohenheim waren dabei als wissenschaftliche Partner involviert. Als Industriepartner waren die KWS SAAT SE und die TraitGenetics GmbH beteiligt.

Der Fokus von „SUNRISE“ lag darauf, gewisse äußere Merkmale (Phänotyp) mit der genetischen Veranlagung (Genotyp) zu verknüpfen und so die Grundlage für Züchtungsmethoden zu legen, die mit genetischen Daten arbeiten, wie die markergestützte Selektion.

Im Rahmen des Projektes wurde eine molekularbiologische Züchtungsmethode, das Tilling, eingesetzt, um chemisch induziert, punktuelle Veränderungen an der DNA zu setzen und deren Wirkung gezielt zu analysieren. Dafür waren im Projekt die Universität Hohenheim, von Dr. Volker Hahn, und die KWS SAAT SE, vertreten durch Dr. Silke Wieckhorst und Dr. Milena Ouzunova, verantwortlich. Die hierfür entwickelte Tilling-Population steht nun als Ressource langfristig zur Verfügung. Damit können nicht nur die Funktionen bestimmter Gene besser verstanden werden, es können auch zukünftig neue Merkmale identifiziert werden. 

Ein kleiner, aber feiner Unterschied im Erbgut

Ziel von „SUNRISE“ war es, eine hohe Anzahl an kostengünstigen molekularen Markern zu entwickeln, die über das gesamte Sonnenblumengenom verteilt sind. Diese Marker können im Erbgut (Genom) nahe der Zielgene liegen und werden gemeinsam mit diesen vererbt. „Besitzt man solche molekularen Marker, die mit agronomisch wichtigen Merkmalen verknüpft sind, genügen kleinste Mengen Blattmaterial eines Keimlings, um zu überprüfen, ob ein gewünschtes Gen bei dieser Pflanze vorhanden ist. Dieses Vorgehen ermöglicht es Züchtern, wesentlich schneller, vor allem aber viel effizienter zu arbeiten. Phänotypische Tests, ob ein Merkmal vorhanden ist oder nicht, sind nämlich zeit- und kostenintensiv“, erklärt Projektkoordinatorin Dr. Silke Wieckhorst von der KWS SAAT SE.  

Die Forscher fokussierten sich darauf, spezielle Punktmutationen zu identifizieren, die lediglich ein Basenpaar betreffen, sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms (kurz: SNPs). Mit SNP-Markern können Abschnitte des Genoms mit phänotypischen Merkmalen in Zusammenhang gebracht werden. Züchter sprechen in Anlehnung an die Medizin auch von diagnostischen Markern. Um die SNP-Marker zu identifizieren, setzten die Forscher Whole Genome Sequencing-Methoden ein. „Wir haben vier Sonnenblumenlinien mit interessanten Genotypen vollständig sequenziert“, beschreibt Wieckhorst. Um jedoch möglichst viele SNP-Marker zu erfassen, wurden zusätzlich ganz gezielt bestimmte Bereiche des Genoms von 48 verschiedenen Sonnenblumenlinien sequenziert, die Gene für wichtige Merkmale enthalten. Die Sequenzierungen im Projekt wurden von Dr. Martin Ganal und Dr. Hartmut Luerßen, TraitGenetics GmbH, durchgeführt.

Diese Informationen hat das Forscherteam dann genutzt, um einen Chip zu entwickeln. Auf diesem sind rund 25.000 dieser SNP-Marker gespeichert. Der Chip kann nun genutzt werden, um neue, durch Kreuzungen entwickelte, Sonnenblumenlinien auf das Vorhandensein wichtiger Merkmale zu untersuchen.

Aufrüsten im Kampf gegen den Mehltau

Neben der Schaffung neuer Ressourcen und Grundlagen ging es den Forschern um sehr praktische Fragen. Ihr Ziel war die Entwicklung robuster und valider Marker gegen den Falschen Mehltau, einer Krankheit, die als großer Feind der Sonnenblumen gilt. „Wenn eine Sonnenblume keine Resistenzgene gegen den Falschen Mehltau in sich trägt, dann ist das ein K.-o.-Kriterium für die Zulassung einer Sorte“, beschreibt Wieckhorst. „Resistenzgene gegen den Falschen Mehltau sind „must have“- Gene!“

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Die Forscher entwickelten vier Kartierungspopulationen für vier Restistenzgene bei der Sonnenblume und erhoben die genotypischen und phänotypischen Daten zur Identifizierung von molekularen Markern. Prof. Dr. Chris-Carolin Schön und Dr. Maren Livaja von der Technischen Universität München, haben sich dabei um die Identifizierung von Kandidatengenen für das Resistenzgen Pl_ARG gekümmert. Die Kartierung und Identifizierung von diagnostischen Markern für die Resistenzgene Pl2, Pl6 und Pl8 übernahm die KWS SAAT SE.  

In einem nächsten Schritt kann das Wissen in der Züchtung angewendet werden, um beispielsweise die Erträge von Sonnenblumen zu sichern. „Wir haben mit dem Projekt „SUNRISE“ die Grundlagen geschaffen, um innovative Züchtungsmethoden bei der Sonnenblume anzuwenden“, betont Wieckhorst.

Ein starkes Netzwerk für die Sonnenblumenforschung

Das Konsortium bestand aus vier Projektpartnern, je zwei aus Industrie und Wissenschaft, die eng miteinander zusammenarbeiteten. „Wir waren sehr eng miteinander verknüpft. Es gab viele Teilprojekte, die von mehreren Partner bearbeitet wurden“, stellt Dr. Wieckhorst heraus. „Jeder hat seine Expertise in das Projekt eingebracht, damit es ein Erfolg werden konnte.“ Die Projektkoordinatorin findet nur lobende Worte für die Zusammenarbeit und resümiert: „Im Bereich der Sonnenblumenforschung ist durch das Projekt „SUNRISE“ ein sehr gutes, deutschlandweites Netzwerk entstanden!“