Forschungsprojekt Transbulb

Gerste (Hordeum vulgare) ist eine unserer ältesten Kulturpflanzen und wirtschaftliche gesehen das zweitwichtigste Getreide Deutschlands. Doch viele Sorten sind anfällig für Schädlinge und Pflanzenkrankheiten. Das Projekt „Transbulb“ bringt Genetiker, Züchtungsforscher und Pflanzenzüchter zusammen, um die Kulturgerste widerstandsfähiger zu machen.

Hunderte Töpfe stehen in Reih und Glied auf dem Boden, das Getreide darin ist schon fast reif. Die Ähren sind mit durchsichtigen Plastiktüten umhüllt, bunte Wäscheklammern halten die Folie zusammen. Es sieht aus, als hätte jemand die Pflanzen geschmückt. Dabei dient diese Konstruktion ausschließlich dazu, die Gerstenpflanzen vor Fremdbestäubung zu schützen. Einkreuzungen aus anderen Pflanzen sind hier unerwünscht.  

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In wenigen Wochen will Dr. Brigitte Ruge-Wehling vom Julius-Kühn-Institut für Züchtungsforschung an landwirtschaftlichen Kulturen (JKI-ZL) das Saatgut ernten. 600 Gramm pro Linie sind ihr Ziel, denn sechs Züchter wollen beliefert werden. Sie warten bereits sehnsüchtig auf die Gerste, die Resistenzen gegen Samtfleckenkrankheit, Mehltau und Gelbmosaikvirus in sich trägt.

Die Resistenzgene stammen aus der Knollen-Gerste (Hordeum bulbosum), die ihren Namen kleinen Knollen (Bulben) am unteren Ende der Sprossachse verdankt. Diese Speicherorgane helfen der mehrjährigen Pflanze dabei, nach dem Winter wieder auszutreiben. Da die Knollengerste zwar mit der Kulturgerste verwandt ist, sich aber nicht ohne weiteres mit ihr kreuzt, zählt man sie zum sekundären Genpool.

Die nahe verwandten Pflanzen sind wenig hilfreich

„Eine Kreuzung zwischen H. bulbosum und H. vulgare ist aufgrund von Kreuzungsbarrieren nicht einfach, aber mit einer speziellen Zuchttechnik möglich“, erklärt Ruge-Wehling. Gemeinsam mit einem Doktoranden arbeitet sie an der Erzeugung von Introgressionslinien. Dabei entsteht Kulturgerste, die etwas von dem Genom der Knollen-Gerste in sich trägt.

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Das erste Hindernis liegt darin, dass Knollengerste einen vierfachen Chromosomensatz besitzt (tetraploid), Kulturgerste jedoch nur einen doppelten (diploid). Eine normale Kreuzung würde unfruchtbare Nachkommen hervorbringen. Durch eine Behandlung mit Colchizin lässt sich die diploide Kulturgerste in eine tetraploiden Pflanze umwandeln. Das ist die Vorarbeit. Jetzt kann es losgehen.

Die beiden Arten werden im Gewächshaus gekreuzt. Dabei entstehen tetraploide Bastarde. Was im normalen Sprachgebrauch wie ein Schimpfwort klingt, ist für Botaniker lediglich die Bezeichnung für eine Pflanze, die DNA aus zwei verschiedenen Arten in sich trägt. In der nächsten Generation sind die meisten Pflanzen bereits wieder diploid. Sie haben das Genom der Knollengerste abgestoßen. Nur kleine Bruchstücke davon, die sich während des Crossing-over in die Chromosomen aus der Kulturgerste geschmuggelt haben, sind übrig geblieben.

Ruge-Wehling hofft, dass diese Bruchstücke Resistenzen gegen Krankheiten enthalten, denn davon hat die Kulturgerste nicht mehr viele. Ihre genetische Diversität ist gering und bisher wurden im primären Genpool, also in Gerste und Wildgerste, nur wenige Gene gefunden, die eine Krankheitsresistenz vermitteln.

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„Unser Ziel sind krankheitsresistente Linien mit einer möglichst kleinen Introgression“, erklärt Ruge-Wehling, „denn sonst könnte der Ertrag leiden.“ Gerste ist, wie alle anderen Getreidearten auch, über Tausende von Jahren hinweg optimiert worden. Allein in den letzten 50 Jahren hat sich ihr Ertrag mehr als verdoppelt. Werden zu viele Gene aus der Knollen-Gerste eingekreuzt, würde das den Ertrag  verringern und die neuen Sorten hätten auf dem Markt keine Chancen. Es sollen also möglichst nur die Resistenzgene übertragen werden, sonst nichts.

Resistente Pflanzen mit weniger Ertrag würde keiner kaufen

Darum brauchte Ruge-Wehling Verstärkung. Die fand sie in Dr. Nils Stein vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Stein ist der Leiter des Internationalen Gerste-Sequenzier-Konsortiums (IBSC). Er kennt sich bestens aus im Genom der Pflanze und hat die Introgressionslinien aus Groß Lüsewitz untersucht. „Aufgrund der nahen Verwandtschaft haben wir vermutet, dass die Reihenfolge der Gene in H. bulbosum die gleiche ist wie bei der Kulturgerste“, erklärt Stein.

Das gesamte Genom von H. bulbosum zu sequenzieren, wäre jedoch zu aufwändig gewesen. Mit seinen fünf Gigabasenpaaren ist es fast doppelt so groß wie das menschliche Genom. „Doch nur etwa ein Prozent davon sind Gene und dieses eine Prozent haben wir uns angeschaut“, so Stein. Seine Vermutung, dass die Gene von Kultur- und Knollen-Gerste kollinear angeordnet sind, hat sich als richtig herausgestellt. Stein und seine Mitarbeiter haben dann zahlreiche molekulare Marker identifiziert, mit deren Hilfe die für eine Resistenz wichtigen Gene im Genom gefunden werden können.

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„Das Projekt ist aus einem Guss!“

Wenn die Züchter in wenigen Wochen das Saatgut aus Groß Lüsewitz erhalten, beginnen sie damit, die Resistenz-Gene in ihre Hochleistungssorten einzukreuzen. Um zu überprüfen,  ob eine Kreuzung erfolgreich war, brauchen sie die molekularen Marker. Denn obwohl die Resistenz-Gene selbst noch unbekannt sind, kann ihr Ort auf dem Genom mit Hilfe der Marker exakt bestimmt werden. „Es ist schön, dass das Projekt von den Züchtern mit großem Interesse verfolgt wird!“, schwärmt Ruge-Wehling.

Das liegt vermutlich auch daran, dass keine teure Spezialausstattung nötig ist um die Marker im Genom zu finden. Das klappt schon mit dem einfachsten molekularbiologischen Handwerkszeug  und geringen Kosten. In wenigen Jahren gibt es dann hoffentlich Gerstensorten, die dem Viren- und Pilzbefall trotzen können.