Mehr Zucker ohne Ertragsverlust

Die wichtigen Zuchtziele, Zuckergehalt und Rübenertrag, sind bei der Zuckerrübe negativ miteinander korreliert. Das erschwert den Zuchtfortschritt. Das Projekt GABI-BETA NET untersucht die genetischen Hintergründe, um einen Ausweg aus diesem Dilemma zu finden.

Pflanzenzüchter wissen und bedauern es schon länger: Erhöht man züchterisch den Ertrag von Zuckerrüben sinkt deren Zuckergehalt. Suchte man umgekehrt aus einer willkürlichen Zusammenstellung von Zuckerrübensorten die zehn mit dem höchsten Zuckeranteil heraus, hätte man gute Chancen, die zehn Sorten mit dem schlechtesten Ertrag gefunden zu haben. Bislang kennen Wissenschaftler die genaue Ursache für diese negative Korrelation nicht.

Sind gekoppelte Gene ursächlich?

Eine mögliche Erklärung sind gekoppelte Gene. In diesem Fall würde ein für den Zuckergehalt verantwortliches Gen stets gemeinsam mit einem Gen vererbt werden, das sich negativ auf den Ertrag auswirkt. Ein solches Phänomen ist weit verbreitet bei Genen, die auf dem selben Chromosom nah beieinander liegen. Kennen Forscher die beteiligten Gene, könnten sie sie entkoppeln – sofern sich nicht herausstellt, dass die gemeinsame Ausprägung der Zucker- und Ertragsmerkmale für die Zuckerrübe überlebensnotwendig ist.

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Um die Gene zu finden, die bei steigendem Ertrag den Zuckergehalt verringern, müssen die Wissenschaftler den Kohlenhydratstoffwechsel verstehen. Bereits in früheren Arbeiten haben sie daran beteiligte Gene in Zuckerrübe kartiert. Dabei haben die Forscher Marker gefunden, die positiv mit dem Ertrag und negativ mit dem Zuckergehalt gekoppelt sind.

In GABI-BETA NET untersuchen die Projektpartner vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und von der KWS SAAT AG in Einbeck nun genetisch sehr ähnliche Zuckerrüben. Sie unterscheiden sich lediglich in der Region eines QTL (quantitative trait locus; Chromosomabschnitt, der für ein quantitatives phänotypisches Merkmal verantwortlich ist). Die übrigen acht der neun Chromosomen sind bei allen Pflanzen gleich oder sehr ähnlich.

Proteinsuche im Rübenbrei

Zunächst verwandeln die Forscher des IPK Gatersleben die Zuckerrüben in einen Brei, um daraus Proteine zu gewinnen. Das stellte sich als anspruchsvoll heraus, weil die Proteinkonzentration im Brei geringer war als erwartet, und weil die Untersuchungsmethoden bislang nur für Ackerschmalwand und Gerste etabliert waren. Die so extrahierten Proteine trennten die Forscher in einer 2D-Gel-Elektrophorese auf. Dabei wandern die Proteine je nach elektrischer Eigenladung und Größe unterschiedlich schnell durch ein Gel. Gleiche Proteine bilden im Gel jeweils einen Punkt, den die Wissenschaftler ausschneiden. Welches Protein darin enthalten ist, bestimmen sie mittels Massenspektroskopie, einer chemischen Methode, die auf dem Verhältnis von Ladung und Masse der Moleküle basiert.

Da Pflanzenzüchter mit Markern auf DNA-Ebene arbeiten, durchsuchen die Forscher der KWS nun Datenbanken, um das Gen zu finden, das für das isolierte Protein kodiert. Hilfreich ist dabei, dass das Projekt GABI-BEETSEQ kürzlich das Zuckerrübengenom entschlüsselt hat. Mit diesem Wissen lassen sich Unterschiede in den Allelen des Gens finden und molekulare Marker entwickeln. In den Ausgangszuckerrüben testen die Forscher dann, ob der Marker – und damit das jeweilige Gen – innerhalb der besagten QTL-Region liegt. Doch selbst wenn dem so ist, haben die Forscher noch keine Gewissheit, ein wichtiges Gen der Zuckerregulation gefunden zu haben: Auch andere Gene könnten beispielsweise innerhalb der QTL-Region koreguliert werden.

Schon 25 DNA-Marker entwickelt

Rund 120 Proteine wollen die Projektpartner untersuchen. Zu 25 davon haben sie bereits DNA-Marker entwickelt, bis zum Projektende sollen es noch einmal so viele werden. Finden die Forscher dabei Gene, die Aufschluss geben über die negative Korrelation von Zucker und Ertrag, gibt es zwei Möglichkeiten: Handelt es sich tatsächlich um gekoppelte Gene, können die Züchter diese durch Marker gestützte Selektion und damit durch Rekombination trennen. Eine Sorte mit hohem Ertrag und hohem Zuckergehalt könnte dann schon innerhalb von fünf Jahren die Marktreife erreichen.

Weniger erfreulich wäre es hingegen, wenn sich herausstellte, dass ein einziges Gen für beide Merkmale, Zucker und Ertrag, verantwortlich ist. In diesem Fall wäre ein transgener Ansatz erforderlich, der für die Züchter sehr teuer würde, der mehr als zehn Jahre dauern würde – und dessen Umsetzung deshalb längst nicht garantiert wäre.