Neuer Ansatz soll Weizenanbau revolutionieren

Weizen-Hybridsorte etabliert

25.06.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Mit wachsender Weltbevölkerung steigt die Nachfrage nach Weizen. Hybridsorten können die Ernteerträge beträchtlich erhöhen, warne für Weizen bisher aber nicht verfügbar. (Bildquelle: © Jupiter55/iStock/Thinkstock)
Mit wachsender Weltbevölkerung steigt die Nachfrage nach Weizen. Hybridsorten können die Ernteerträge beträchtlich erhöhen, warne für Weizen bisher aber nicht verfügbar. (Bildquelle: © Jupiter55/iStock/Thinkstock)

Die Weltbevölkerung wächst und treibt die Nachfrage nach Weizen in die Höhe. Höchste Zeit für eine innovative Weizenhybridsorte, die neben höheren Ernteerträgen auch stresstoleranter als ihre Verwandten ist.

In den letzten Jahrzehnten konnten die Ernteerträge von Weizen durch veränderte Anbaumethoden und züchterische Neuerungen kontinuierlich verbessert werden. Das ist wichtig, denn Weizen bildet die Ernährungsgrundlage von immerhin einem Drittel der Weltbevölkerung. In den letzten Jahren stagnierten die Weizenerträge allerdings – in Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung eine fatale Entwicklung.

Hybridsorten: Hohe Erträge und Stresstoleranz

Bei anderen Feldfrüchten wie Mais oder Roggen war es Wissenschaftlern und Züchtern in den letzten Jahren gelungen, Hybridsorten herzustellen. Hybridsorten haben in der Landwirtschaft immer mehr Bedeutung gewonnen, denn sie liefern weit höhere Erträge als konventionelle Liniensorten und sind zudem noch stresstoleranter. Stellt sich die Frage, warum es bisher noch keine wirtschaftlich sinnvolle Hybridsorte beim Weizen gibt. Weizen gehört zu den Selbstbefruchtern. Das bedeutet, dass sich in den Blüten des Getreides sowohl männliche, als auch weibliche Organe befinden. Hybridsaatgut wird aber hergestellt, indem zwei genetisch möglichst weit voneinander entfernt Inzuchtlinien miteinander gekreuzt werden. Bei Inzuchtlinien handelt es sich wiederum um Populationen, die durch fortlaufende Kreuzung von Individuen der gleichen Linie (Inzucht) stark auf bestimmte Eigenschaften selektiert werden, wodurch auch  Gene mit negativen Auswirkungen angehäuft werden und ihre Fruchtbarkeit oftmals herabgesetzt wird. Die Chromosomensätze (Link Wissen) einer Zelle einer ingezüchteten Pflanze sind nach ungefähr 7 Rückkreuzungen mit sich selbst quasi zu 100 Prozent identisch. Diese Pflanzen werden als reinerbig bezeichnet. Für die Züchter sind diese ingezüchteten Pflanzen eine wichtige Ressource, da gewünschte Merkmale unter Garantie auf die nächste Generation weitergeben werden.

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Pollensterilität und unvollständige Transgene verhindern, dass sich der transgene Weizen in der Umwelt ausbreitet.

Pollensterilität und unvollständige Transgene verhindern, dass sich der transgene Weizen in der Umwelt ausbreitet.

Bildquelle: iStock.com/ gremlin

Chemische Kastration zu unsicher

Um eine Selbstbefruchtung bei Weizen zu verhindern und die Erzeugung von Hybridsaatgut im kommerziellen Maßstab zu ermöglichen, muss einer der Kreuzungseltern steril sein. Alle bisher entwickelten biologischen Sterilitätssysteme zur Weizen-Hybridzucht konnten sich jedoch aufgrund verschiedener Probleme wirtschaftlich nicht durchsetzen. Die einzige Methode, die zur Zeit zur industriellen Produktion von hybridem Weizensaatgut verwendet wird, beruht auf der chemischen Kastration der weiblichen Kreuzungspartner mit Hilfe eines toxischen Reagenzes (Gametozid). Der dadurch erzeugte pollensterile Kreuzungspartner wird im Streifenanbau neben unbehandelten Bestäuberpflanzen angebaut. Derart produzierter Hybridweizen hat hervorragende Anbaueigenschaften wie eine deutlich erhöhte Trockenresistenz. Die Methode birgt allerdings erhebliche Probleme: Die erfolgreiche Anwendung hängt von optimalen Witterungsverhältnissen sowie einem exakten ,,Timing" ab – zu riskant für eine großflächige kommerzielle Nutzung. 

„Gene-Splitting“ bringt den Erfolg

Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben ist es nun gelungen, ein biologisches Sterilitätssystem für Weizen zu etablieren. Dabei ersetzten sie die chemische Kastration von Weizen durch einen gentechnologischen Ansatz, der als „Gene-Splitting“ bezeichnet wird. Beim „Gene-Splitting“ wird das Gen, welches für das toxische Protein Barnase codiert, in zwei Teile gespalten. Diese beiden Bruchstücke werden mit einem sog. Intein Gen gekoppelt und in zwei unterschiedliche Pflanzen eingebracht. Nach dem Kreuzen dieser Pflanzen und dem Ablesen der Gene in der Zelle heften sich die beiden Intein-Proteine aneinander, und fügen damit die beiden Barnase-Fragmente zu einem funktionstüchtigen Protein zusammen. Erst dann wird das Barnase Enzym wirksam und vermittelt die Sterilität der männlichen Bestandteile der Weizenblüte. Die Selbstbefruchtung dieser Pflanzen ist damit ausgeschlossen und die weiterhin fruchtbaren weiblichen Blütenteile können nun mit dem Pollen des gewünschten konventionellen Kreuzungspartners, befruchtet werden. Die Crux besteht in der Effizienz dieser künstlich erzwungenen Fremdbefruchtung, also wie viele Samen bzw. Körner als potenzielles Saatgut produziert werden. 

Sicherheit durch Pollensterilität und unvollständige Transgene

Da die so erzeugten hybriden Tochterpflanzen jeweils nur eines der Chromosomen von der Mutterpflanze erhalten, tragen sie auch nur ein Fragment des Barnase-Gens, das aber nicht wirksam ist. Die hybriden Tochterpflanzen sind dementsprechend selbst wieder fruchtbar und können auf dem Wege der Selbstbefruchtung Samen und damit das gewünschte Erntegut ausbilden. Durch den „Gene-Splitting-Ansatz“ ist die unerwünschte Verbreitung von funktionsfähigen Transgenen per se ausgeschlossen. Denn zum einen verhindert die Pollensterilität die wahrscheinlichste Form einer unerwünschten Genübertragung. Zusätzlich sorgt die Verwendung von Genfragmenten dafür, dass keine kompletten Transgene, die zu einer Merkmalsausprägung führen, übertragen werden können. Der Gentechnikdebatte wird sich die neue Hybridweizensorte dennoch stellen müssen.

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