Dieser Beitrag entstand im Rahmen unseres Plantainments:

Was ist Markergestützte Selektion?

29.01.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Methoden der Pflanzenzüchtung im Detail: Markergestützte Selektion. (Bildquelle: Originalbilder: Pixabay; CC0 / bearbeitet)
Methoden der Pflanzenzüchtung im Detail: Markergestützte Selektion. (Bildquelle: Originalbilder: Pixabay; CC0 / bearbeitet)

Bei der Markergestützten Selektion (kurz: MAS) werden molekulare Marker – kurze, eindeutig identifizierbare und bekannte DNA-Abschnitte – zur Auswahl von Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften genutzt. Bei dieser Züchtungsmethode wird demnach der Genotyp zur Selektion herangezogen.

Die Markergestützte Selektion (engl.: Marker-Assisted Selection; kurz: MAS) basiert auf der Nutzung von molekularen Markern zur Verfolgung des Erbganges eines Zielgens. Molekulare Marker sind kurze DNA-Abschnitte, die eindeutig durch schnelle Gendiagnoseverfahren in einer Pflanze nachweisbar sind und deren Ort im Genom bekannt ist. Es gibt unterschiedliche Markertypen, die verwendet werden, darunter z. B. die SNP-Marker (Single Nucleotide Polymorphisms; kurz: SNP). Dabei handelt es sich um Punktmutationen, die lediglich ein Basenpaar betreffen.

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Was ist ein Marker?

Im Buch „Pflanzenzüchtung“ von Heiko Becker (2011, UTB) findet sich eine treffende Metapher, hier heißt es: „Die schönste Erklärung für das Wesen eines Markers stammt von meinem Weihenenstephaner Kollegen Gerhard Wenzel: Wenn man in Bayern eine Wanderung unternimmt und Lust auf ein kühles Bier bekommt, sollte man nach einem Kirchturm Ausschau halten. In Bayern liegt nämlich neben jeder Kirche ein Wirtshaus. Der weithin sichtbare Kirchturm ist der „Marker“, das in unmittelbarer Nähe liegende Wirtshaus ist das eigentliche Ziel.“

Wie funktioniert die MAS?

Das Prinzip der MAS ist recht einfach: Befindet sich in unmittelbarer Nähe eines Markers ein interessantes Gen (Zielgen), werden beide gemeinsam vererbt. Dieses Verhalten kann genutzt werden, um bei der Kreuzung zweier Pflanzen die Vererbung des Zielgens an die Nachkommen zu verfolgen. Denn wird der Marker in einer der Nachkommen nachgewiesen, ist das Zielgen höchstwahrscheinlich auch vorhanden.

Zur Diagnose reichen bereits Gewebeproben von Keimlingen. Nur die Pflanzen, bei denen die Marker nachweisbar sind, werden ausgewählt und weiter kultiviert. Bei der Markergestützten Selektion wird also nicht das Erscheinungsbild (Phänotyp) zur Selektion herangezogen, sondern der Genotyp. Diese Form der Selektion wird auch indirekte Selektion genannt, da auf ein Hilfsmittel (Marker) und nicht die phänotypisch sichtbare Eigenschaft an sich selektiert wird.

Man kann anhand von Markern auch gezielt Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften identifizieren und sie miteinander kreuzen. Auf diese Weise werden gewünschte Eigenschaftskombinationen bei den Nachkommen schneller erzeugt. Wird die MAS bereits bei der Auswahl geeigneter Elternpflanzen angewendet, spricht man von SMART Breeding (engl.: Selection with Markers and Advanced Reproductive Technologies) oder Präzisionszucht.

Wissen über die genetische Ausstattung ist die Voraussetzung

Damit Züchter die Markergestützte Selektion anwenden können, müssen die Gene oder die Genomabschnitte (QTL - Quantitative Trait Locus) bekannt sein, die die gewünschten Pflanzeneigenschaften hervorrufen. Dazu werden zuvor sogenannte „genetischen Karten“ erstellt, die Auskunft über die genetischen Grundlagen der gewünschten Merkmale geben.

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Video: „Pimp your brain: Marker für die Pflanzenzüchtung“ (Quelle: MaxPlanckSociety / youtube.com)

Zudem müssen die dazu passenden Marker im Vorfeld identifiziert werden. Für die wichtigen Kulturpflanzen wie Reis, Mais oder Weizen sind diese Daten vorhanden und werden für die Züchtung heute regelmäßig genutzt.

Vorteile und Nachteile der Methode

Man kann die Markergestützte Selektion schon in einem frühen Entwicklungsstadium der Pflanzen (Keimling) anwenden. Dadurch wird der Züchtungsprozess sehr viel schneller und effizienter.

Ohne MAS müsste der Züchter alle Nachkommen über einen längeren Zeitraum im Gewächshaus oder Feld kultivieren und könnten dann erst die Pflanzen mit der gewünschten Eigenschaft anhand der phänotypischen Eigenschaften identifizieren. Die MAS verkürzt diesen Prozess somit von Monaten auf Tage. Zudem können mehrere Merkmale gleichzeitig selektiert werden. Auch das reduziert den Aufwand und die Kosten des Züchtungsprozesses.

Die Markergestützte Selektion hat sich bisher bei monogenen Merkmale voll bewährt - also bei Merkmalen, die von einem einzigen Gen beeinflusst werden. Aber bei der Ausprägung vieler quantitativer Merkmale sind häufig eine Vielzahl von Genen mitverantwortlich und damit eine Zuordnung relevanter Marker schwierig.

Zudem beeinflussen spezifische Umweltbedingungen (z. B. Klima) die Merkmalsausprägung. Zwei Pflanzen mit dem exakt gleichen Genotyp können ein Merkmal also unterschiedlich ausprägen. Ein Beispiel ist der Ertrag, der von vielen Genen abhängt und durch den Einfluss von Umweltfaktoren variiert. Diese Komplexität dieser Zusammenhänge erschwert einen präzisen Züchtungsprozess mit Hilfe der MAS.

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