Züchtung im Zeitraffer

Von der Wildpflanze zur Kulturtomate in einer Generation

08.10.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Unsere Tomaten sind durch jahrzehntelange Zucht aus Wildtomaten entstanden. Wissenschaftler haben nun diese Zucht im extrem schnellen Zeitraffer nachgebildet. (Bildquelle: © Comfreak/Pixabay/CC0)
Unsere Tomaten sind durch jahrzehntelange Zucht aus Wildtomaten entstanden. Wissenschaftler haben nun diese Zucht im extrem schnellen Zeitraffer nachgebildet. (Bildquelle: © Comfreak/Pixabay/CC0)

Forschern ist es gelungen, den langwierigen Prozess der Kultivierung auf nur eine Generation einzustampfen. Mithilfe von CRISPR/Cas haben die Wissenschaftler aus einer wilden Tomatenpflanze eine Kulturpflanze mit wertvollen Eigenschaften erschaffen.

„Die neue Methode erlaubt es uns, bei null anzufangen und einen Domestikationsprozess noch einmal ganz neu zu starten“, erklärt Jörg Kudla von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Anders als zu den ersten Züchtungsversuchen vor 10.000 Jahren stehen Wissenschaftlern heute ganz andere Methoden und ein viel breiteres Wissen zur Pflanzengenetik und -domestizierung zur Verfügung. Kudla beschreibt, wie sich der Wissensvorsprung in der Praxis auswirkt: „Wir können das genetische Potenzial und besonders wertvolle Eigenschaften der Wildpflanzen bewahren und gleichzeitig die gewünschten Merkmale moderner Nutzpflanzen in kürzester Zeit erzeugen.“

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Die neue Zuchttomate (rechts) hat verschiedene Domestikations-Merkmale, die sie von der Wildpflanze (links) unterscheiden (Details jeweils im Uhrzeigersinn): Sie bildet mehr Blüten und trägt entsprechend mehr Früchte, die Früchte sind größer und eiförmig statt rund. Die Zuchttomate enthält mehr Lycopin, was sich durch eine tiefere Rotfärbung des Safts bemerkbar macht, und die Pflanze hat einen kompakteren Wuchs.

Bildquelle: © Agustin Zsögön/Nature Biotechnology

Wildtomate: Schmackhaft und gesund, aber wenig ertragreich

In ihrer dreijährigen Arbeit an der Wildtomate Solanum pimpinellifolium aus Südamerika demonstrierten die Wissenschaftler, wie die Züchtung im extremen Zeitraffer funktioniert. Solanum pimpinellifolium ist die Vorfahrin der heutigen Kulturtomate (Solanum lycopersicum). Die Wildpflanze hat nur erbsengroße Früchte und liefert einen geringen Ertrag – zwei Eigenschaften, die sie als Kulturpflanze ungeeignet machen. Auf der anderen Seite sind ihre Früchte aromatischer und geschmacksintensiver als heutige Tomaten. Die Früchte der Wildtomate enthalten außerdem mehr Lycopin, einen als sehr gesund geltenden Radikalfänger, der helfen kann, Krebserkrankungen und Herz-Kreislauferkrankungen vorzubeugen.

Nur sechs Genveränderungen führten zum Erfolg

Mit Hilfe der Präzisionsgenschere CRISPR/Cas veränderten die Wissenschaftler lediglich sechs Gene der Wildtomate, die als genetische Schlüssel der domestizierten Tomate gelten. Dies hatte weitreichende Folgen. Die neuen Tomatenpflanzen trugen dreimal so große und zehnmal mehr Früchte wie die Wildpflanze. Auch waren diese deutlich ovaler, wodurch sie bei Regen weniger schnell aufplatzten als die kugelrunden Früchte der Wildtomate.

Mehr Radikalfänger, gesündere Tomaten

Die Früchte enthielten außerdem mehr Lycopin. Im Vergleich zur Wildtomate war der Gehalt mehr als doppelt so hoch und gleich fünfmal höher als bei konventionellen Cocktailtomaten. „Das ist eine ganz entscheidende Neuerung, die man mit den konventionellen Kulturtomaten durch Zucht nicht erzielen kann“, betont Kudla. „Die von uns geschaffene Tomate hat also unter gesundheitlichen Aspekten wahrscheinlich einen Mehrwert gegenüber konventionellen Zuchttomaten und anderen Gemüsen, die Lycopin nur in sehr begrenzten Mengen enthalten.“

Mit herkömmlichen Zuchtmethoden sei es bisher nicht gelungen, den Lycopin-Gehalt der Tomate ohne Einschränkungen zu erhöhen. In den Fällen, in denen es gelang, sei es auf Kosten des Gehalts an Beta-Carotin gegangen, welches ebenfalls eine zellschützende Wirkung habe und daher ein wertvoller Inhaltsstoff sei.

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Ausgangspunkt war die Vorfahrin der heutigen Kulturtomate Solanum pimpinellifolium.

Ausgangspunkt war die Vorfahrin der heutigen Kulturtomate Solanum pimpinellifolium.

Bildquelle: © KENPEI/Wikimedia.org/CC BY-SA 3.0

Das Dilemma der modernen Zucht

Jörg Kudla fasst das Dilemma der modernen Pflanzenzüchtung zusammen: „Durch die Zucht sind unsere heutigen Nutzpflanzen entstanden – mit all ihren Vor- und Nachteilen. Viele Eigenschaften wie die Widerstandsfähigkeit sind verloren gegangen und könnten nur durch eine jahrzehntelange, mühselige Rückkreuzung mit der Wildpflanze wiedergewonnen werden – wenn überhaupt. Denn Eigenschaften, die durch das Zusammenspiel zahlreicher Gene bestimmt werden, kann man durch klassische Zucht nicht wiederherstellen. Die Domestikation gleicht in vielen Punkten einer Einbahnstraße. Mit moderner Genom-Editierung können wir die Vorteile der Wildpflanze nutzen und dieses Zuchtproblem lösen. Kurz gesagt: Die molekulare „De-novo-Domestikation“ birgt ein enormes Potenzial – auch, um neue wünschenswerte Eigenschaften zu erzeugen.“ Das System lässt sich grundsätzlich auf alle Pflanzen übertragen. Auch auf solche, die bisher nicht als Nutzpflanzen Verwendung finden.

Biotechnologischer Durchbruch in der Pflanzenzüchtung

"Diese Arbeit ist tatsächlich ein ganz entscheidender Durchbruch für die Nutzpflanzenzucht, der mich sehr begeistert", stellt Holger Puchta klar, der nicht an der Studie beteiligt war. „Die Arbeit zeigt grundsätzlich, dass es auf einer ganz neuen Ebene möglich ist, die über Jahrtausende in Interaktion mit der Umwelt gebildeten genetischen Ressourcen der Natur für die Landwirtschaft zu nutzen." Kudla betrachtet seine Arbeit daher auch als Chance, das in der Öffentlichkeit eher negative Bild der Genom-Editierung durch praktische Ansätze möglicherweise zu verbessern.

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