Mehr Erträge auch bei Selbstbestäubern

Heterosiseffekt bei Weizen

21.12.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Weizen ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit. (Bildquelle: © kissyfurr/iStock/Thinkstock)
Weizen ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit. (Bildquelle: © kissyfurr/iStock/Thinkstock)

Wissenschaftler haben einen Ansatz entwickelt, um den Mechanismus der Ertragssteigerung, die Kreuzung reinerbiger Elternlinien („Heterosiseffekt“), bei Weizen zu nutzen. Davon könnte nicht nur die Weizenzüchtung profitieren, sondern auch die anderer Getreidearten, wie beispielsweise Gerste oder Reis.

Die Kulturarten Mais und Roggen profitieren schon lange von der Hybridzüchtung, die besonders ertragreiche Sorten hervorbringt. Für den Weizen als selbstbestäubende Pflanze war dieser Effekt bisher nicht großflächig anwendbar. Denn bei der Hybridzüchtung selbstbestäubender Pflanzen muss vor der Kreuzung ein Elternteil großflächig kastriert werden. „Diese Kastrationsmethoden haben Industrie und Forschung in den letzten Jahren so weit vorangetrieben, dass mit einem großflächigen Einsatz in den nächsten 10 Jahren zu rechnen ist“, erklärt Studienleiter Prof. Dr. Jochen Reif vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Dieser wichtige Flaschenhals der Hybridzüchtung von Weizen wurde zwar geweitet, doch das alleine genügt noch nicht, das global bedeutende Getreide ertragreicher zu machen.

Genomik hilft beim Sichten und Sortieren

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Eine Gruppe von Wissenschaftler um Prof. Dr. Jochen C. Reif (Foto), Leiter der Abteilung Züchtungsforschung am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), entwickelte in Kooperation mit der Landessaatzuchtanstalt der Universität Hohenheim und mehreren Züchtungsunternehmen ein dreistufiges Modell als Grundlage für die Nutzung der Heterosis beim Weizen.

Eine Gruppe von Wissenschaftler um Prof. Dr. Jochen C. Reif (Foto), Leiter der Abteilung Züchtungsforschung am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), entwickelte in Kooperation mit der Landessaatzuchtanstalt der Universität Hohenheim und mehreren Züchtungsunternehmen ein dreistufiges Modell als Grundlage für die Nutzung der Heterosis beim Weizen.

Quelle: © IPK

Bevor die Hybridzüchtung beginnen kann, muss zunächst das vorhandene genetische Material der verschiedenen Weizenpopulationen gesichtet und nach züchtungsrelevanten Kriterien sortiert werden. „Bei der bisherigen Linienzüchtung arbeitet man mit einer Zuchtpopulation. Bei der Hybridzüchtung kommt es hingegen auf die Komplementarität der beiden eingesetzten Elterngruppen an“, erklärt Prof. Reif. Das Problem dabei: Die Suche nach komplementären Gruppen ist schwierig, langwierig und kostspielig.

Besonders gut passen Gruppen dann zusammen, wenn ihre Nachkommen nach der Kreuzung besonders ertragreich sind. „Warum manche Gruppen besser zusammenpassen als andere, weiß man noch nicht. Hierfür gibt es unterschiedliche Theorien und Beobachtungen, aber noch keine universellen Gesetzmäßigkeiten, die sich aus diesen ableiten lassen. Somit gibt es auch noch keine verlässliche Strategie, wie sich ein so komplexes Merkmal wie der Ertrag in seine einzelnen genetischen Faktoren zerlegen lässt“, so Reif.  

Sortieren in drei Töpfe

Das Sortieren der Weizenpopulationen geht folgendermaßen vonstatten: Jede Stichprobe kann in einem von drei möglichen „Töpfen“ landen: Topf eins beinhaltet die erste heterotische Gruppe, Topf zwei, die dazu passende zweite und in Topf drei werden all diejenigen gesammelt, die sich nicht zu einem mutmaßlich ertragreichen Paar zusammenfügen lassen. Wichtig für das Sortieren ist die Hybridleistung aller möglichen Paare. „Bei 135 Linien müssten Sie über 9.000 Hybriden herstellen, um deren Hybridleistung zu testen“, erklärt Prof. Reif. Und das würde jegliches Budget sprengen. „Wir nutzen nun die Genomik, um die Hybridleistung vorherzusagen“, so Reif weiter. Einen Teil der Hybriden müssen die Wissenschaftler zwar immer noch produzieren und testen, aber basierend auf dem Teildatensatz lassen sich dank der neuen Technik sehr gute Vorhersagen für die Gesamtdaten treffen.

In einem zweiten Schritt müssen die Linien dann einem der drei Töpfe zugeordnet werden. Auch das ist ein komplexes Unterfangen, das Prof. Reif mit seiner Arbeitsgruppe mit selbst entwickelten Algorithmen lösen konnte. In einem dritten Schritt klären die Forscher, wie viele Linien pro Topf nötig sind, um langfristig mit der Hybridzüchtung Erfolg zu haben.

Hybridleistung in absehbarer Zeit vorhersagbar

Weizen ist eine der global bedeutendsten Kulturpflanzen. Angesichts steigender Bevölkerungszahlen und klimatischer Veränderungen ist die Entwicklung ertragreicher und stabiler Sorten entscheidend, um die Welternährung nachhaltig zu sichern. Gleichzeitig stagnieren die Ernteerträge von Weizenpflanzen in vielen Ländern der Welt – höchste Zeit, den Heterosiseffekt auch beim Weizen nutzbar zu machen.

Doch der Ansatz der Gaterslebener Wissenschaftler ist nicht nur auf den Weizen beschränkt. Auch andere Kulturarten - Kichererbse, Sojabohne, Reis oder Gerste - könnten von der innovativen Technik profitieren. „Der Wechsel hin zu Hybriden verspricht bei Weizen einen Ertragsvorteil, der dem bisherigen Selektionserfolg von ungefähr 15 Jahren entspricht“, so Prof. Reif. Doch wann Weizenhybriden den Markt großflächig erreichen werden, wagt Prof. Reif zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht abzuschätzen, denn dies wird im Wesentlichen von der Ökonomie der Hybridsaatgutproduktion abhängen.

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