Die Züchtung von Nutzpflanzen ist aufwendig. Bis zu zehn Jahre können vergehen, ehe nach einer Kreuzung und etlichen Selektionsschritten eine Zuchtlinie entsteht und als neue Sorte für den Ackerbau zugelassen wird. Gefragt sind neue Pflanzensorten mit vielen Talenten. „Am Ende muss die Sorte einen hohen Ertrag haben und ertragsstabil sein. Sie muss aber auch eine gewisse Stressresistenz gegenüber Krankheiten und Trockenheit haben“, erklärt Jutta Ahlemeyer, Saatzuchtleiterin bei der Deutschen Saatveredelung AG.
Pflanzenzüchtungs-Prozess verkürzen
Für die Pflanzenzüchtung ist es eine Herausforderung diesen langen Zeitraum mit neuen Methoden zu verkürzen. Bisher ist der Einsatz der markergestützten Selektion etabliert, der auch als Smart Breeding bekannt ist. Smart Breeding wird benutzt, um schon früh in der Entwicklung einer Pflanze zu prüfen, ob sie ein bestimmtes Merkmal besitzt und damit etwa als Kreuzungspartner geeignet ist. Solche molekularen Marker liegen im DNA-Strang in der Nähe von Genen, die einen großen Einfluss auf das betreffende Merkmal haben. Gut geeignet ist Smart-Breeding für die Selektion einer Reihe von Krankheitsresistenzen. Wird eine Resistenz durch ein einzelnes Gen vererbt, reicht es im Selektionsprozess aus, einen gekoppelten molekularen Marker zu untersuchen anstatt einen aufwendigen Resistenztest durchzuführen. Viele ökonomisch wichtige Merkmale wie zum Beispiel der Ertrag lassen sich durch den Blick auf einzelne molekulare Marker jedoch nicht abschätzen, weil für ihre Ausprägung nicht nur ein Gen, sondern eine Vielzahl von Genen verantwortlich ist.
Genomische Selektion in der Gerstenzüchtung
Abhilfe kann hier eine Methode schaffen, die in der Rinderzucht bereits seit Längerem Anwendung findet: die genomische Selektion. Anders als beim Smart Breeding werden hierbei nicht nur einzelne molekulare Marker analysiert, sondern Zehntausende. Indem für eine große Population von Pflanzen der Phänotyp detailliert beschrieben wird und gleichzeitig das ganze Genom mit einer Vielzahl molekular Marker untersucht wird, können sogenannte „genomische Zuchtwerte“ geschätzt werden. Möglich wird dies durch entsprechende bioinformatische Methoden.
Forscher um Jutta Ahlemeyer haben im Verbundprojekt „BARSELECT“ untersucht, ob die Methode der genomischen Selektion auch in der Gersten-Züchtung etabliert werden kann. An dem Projekt waren weitere Partner aus Industrie sowie Forschung beteiligt. Das Vorhaben wurde zwischen 2011 und 2015 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Pflanzenbiotechnologie der Zukunft“ mit rund 1,5 Mio. Euro gefördert. Weitere 570.000 Euro steuerten die beteiligten Unternehmen bei.
Mit Markern Zuchtlinien besser einschätzen
Im Projekt BARSELECT konzentrierten sich die Forscher auf die Wintergerste. „Unser großes Ziel war es, mit Unterstützung von Markern Zuchtlinien besser einzuschätzen und deren Leistung vorherzusagen, um ohne eine weitere Phänotypisierung in eine neue Kreuzungsrunde zu gehen“, so Ahlemeyer. 750 Wintergerste-Linien – das sogenannte Trainingsset - wurden über zwei Jahre in Feld- und Klimakammer-Versuchen auf relevante Merkmale wie Ertrag, Trockentoleranz und Wurzelwachstum untersucht. Neben komplexen Merkmalen wie dem Kornertrag wählten die Forscher auch Eigenschaften, die von relativ wenigen Genen beeinflusst werden und die daher relativ einfach vorherzusagen sein sollten, wie etwa die Wuchshöhe und der Zeitpunkt des Ährenschiebens.
Sämtliche von den Projektpartnern bereitgestellten genotypischen und phänotypischen Daten wurden von der Universität Hohenheim analysiert. Basierend auf sogenannten SNP-Markern wurden die Unterschiede im Genom der einzelnen Linien bestimmt und mit ihren Merkmalen verglichen. „Die Aufgabe war, auf Grundlage der Daten, die wir in den ersten zwei Jahren am Trainingsset aufgenommen hatten, die Leistung der Zuchtlinien in einem Validierungsset im dritten Jahr allein aufgrund der molekularen Marker vorherzusagen“, erklärt Ahlemeyer. Während die Forscher rechneten, wurden die Merkmale von 750 neue Linien, die mit den Linien des Trainingssets unterschiedlich stark verwandt waren, in Feld- und Klimakammer-Versuchen untersucht. Ein Vergleich der von den Wissenschaftlern auf Basis der Marker vorhergesagten Werte mit den tatsächlich im Feld ermittelten Eigenschaften ermöglichte es, die Genauigkeit der Methode zu beurteilen.
Verbundprojekt BARSELECT
Projektleitung: Deutsche Saatveredelung AG
Industriepartner:
Secobra Saatzucht GmbH; W. von Borries-Eckendorf GmbH & KG; Limagrein GmbH, Nordsaat Saatzuchtgesellschaft mbH, Zuchtstation Gudow
Zahlreich Merkmale wie etwa der Zeitpunkt des Ährenschiebens oder der Kornertrag konnten relativ gut vorhergesagt werden. „Im Prinzip funktioniert das. Mit den genomischen Zuchtwerten haben wir jetzt noch einen weiteren Wert und damit eine viel größere Sicherheit in der Selektion. Man kann Merkmale wie Ertrag besser einschätzen, weil die Schätzung auf einem längeren Zeitraum beruht, als die Linie tatsächlich im Feld steht“, sagt die Forscherin. Ein Vergleich der unterschiedlichen von den Wissenschaftlern entwickelten Algorithmen war ebenfalls aufschlussreich. „Hier zeigte sich, dass für die Vorhersage der meisten Merkmale, die einfachste Methode hinreichend genau war“, betont Ahlemeyer.
Natur half bei Selektion mit
Auch die Natur half bei der Selektion teilweise mit: Zum Leidwesen der Projektpartner hatte der Frost im ersten Winter viele der Linien zunichte gemacht. „Als Züchter stört uns das nicht. Wir konnten so eine vernünftige Selektion machen, weil wir wussten, dass das Material, dass überlebte, eine gute Winterhärte hat“, berichtet Ahlemeyer. Sowohl die generierten Marker als auch die neuen verbesserten Zuchtlinien der Wintergerste gehören mittlerweile zum Zuchtprogramm der im Projekt beteiligten Unternehmen. Das Julius-Kühn-Institut hat zudem eine Methode entwickelt, mit der die Unternehmen Zuchtlinien schnell und effizient auf Trockentoleranz testen können.
Autorin: Beatrix Boldt
