Dr. habil. Jahoor Ahmed, Technische Universität München

Einfache Auslese zwischen und innerhalb des naturgegebene Spektrums an Pflanzenarten bildete die Grundlage für die ersten Ackerbaukulturen. Erst nach der Wiederentdeckung der Mendelschen Gesetze zu Beginn dieses Jahrhunderts konnte versucht werden konkrete Zuchtziele mit Kombinationszüchtung zu verwirklichen. Die klassische Kombinationszüchtung war so erfolgreich, daß heute in Teilen der Welt statt Mangel an Nahrungsmitteln ein Überschuß herrscht. Aber ohne die Entwicklung von Wild- zu Kulturpflanzen könnte die Welt kaum mehr als eine Million Menschen ernähren und ohne die Rationalisierung der Landwirtschaft wäre der Übergang zum Industriezeitalter nicht möglich gewesen.

Innerhalb des landwirtschaftlichen Produktionsprozesses kommt der Pflanzenzüchtung eine Schlüsselposition zu. Ertrag, Qualität des Erntegutes, ebenso wie die Widerstandsfähigkeit von Kulturpflanzen gegen Krankheitserreger und Wetterstreß werden maßgeblich von ihren Erbanlagen bestimmt. Als Beispiel für die Einbeziehung der Gentechnik in den Züchtungsprozess soll die Resistenzzüchtung dienen.

Der Getreidemehltau, verursacht durch einen Pilz ist eine der wichtigsten Krankheiten, die insbesondere im gemäßigten Klima bei Gerste und Weizen hohe Ertragsverluste verursachen kann. Wild- und Primitivformen enthalten zahlreiche Mehltauresistenzgene, die jedoch nicht identifiziert und im Gersten- bzw. in Weizengenom zu den entsprechenden Chromosomen zugeordnet wurden. Die Resistenzwirkung der in die Züchtung bereits eingeführten Gene wurde von den durch Mutation und Rekombination entstandenen neuen Pathotypen des Mehltauerregers häufig sehr schnell überwunden (Limpert et al., 1991). Daher ist es notwendig, die genetische Basis der Resistenzzüchtung zu erweitern und neue Resistenzgenkombinationen herzustellen. Solche Genkombinationen lassen sich allerdings mit den Methoden der bisherigen Kombinationszüchtung nicht mehr zuverlässig aufspüren.

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Entwicklung und Einsatz von DNA-Werkzeugen zur markergestützten Selektion bei der Züchtung landwirtschaftlicher Kulturpflanzen

DNA-Sonden, sogenannte RFLP's (Restriktion-Fragment-Längen-Polymorphismen), verschaffen eine neue Möglichkeit, wirtschaftlich wichtige Gene, insbesondere auch neue Resistenzgene rasch und zuverlässig zu identifizieren. Voraussetzung dafür ist, daß ausreichend enge genetische Kopplungen zwischen den RFLP-Markern und den Krankheitsresistenzgenen vorliegen. Mit Hilfe geeigneter DNA-Präparationen und entsprechender Testkreuzungen gelingt es "polymorphe" RFLP-Marker zu entwickeln, die zwischen resistenten und anfälligem Individuen unterscheiden können. Weil man davon ausgehen kann, daß sich solche RFLP Polymorphismen weitgehend auf die Umgebung des jeweiligen Genortes beschränken (Young et al., 1988), ist es danach möglich, die An- oder Abwesenheit des gekoppelten Resistenzgens an jedem einzelnen Blatt auch ohne Infektion mit dem Krankheitserreger zu bestimmen. Auf diese Weise wurden innerhalb eines Forschungsverbundes aus dem Institut für Botanik der LMU, dem Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung der TUM und dem Institut für Resistenzgenetik der BAZ im Verlauf der letzten 5 Jahre insgesamt vier vorher unbekannte Gene für Mehltauresistenz bei Gerste identifiziert und markiert. Damit konnte der aus vorangegangener weltweiter Forschungsarbeit über mehr als 5 Jahrzehnte mit älteren Methoden erarbeitete Stand der Kenntnisse mehr als verdoppelt werden.

Dazu gehörte z.B. auch die Markierung und Lokalisierung der Mehltauresistenz des Locus MlLa, abgeleitet aus einer wildverwandten Art der Kulturgerste. Diese Resistenz ist durch intermediäre Abwehrreaktionen gekennzeichnet (Jahoor, 1987). Untersuchungen von Limpert et al. (1991) belegten zweifelsfrei, daß die Wirksamkeit dieses in viele Zuchtsorten bereits eingekreuzte Resistenzgen länger wirksam war, als viele andere Resistenzgene. Trotz seiner weitverbreiteten Verwendung in der praktischen Gerstenzüchtung war es aber aufgrund der intermediären Resistenzreaktion zunächst nicht gelungen, die dafür verantwortliche Erbinformation im Gerstengenom zu lokalisieren (Jensen et al., 1982; Jensen et al., 1991). Dies gelang jedoch mit Hilfe der MWG-Sonden aus unserem Münchner Verbundprojekt. Insgesamt wurden 885 RFLP-Marker/Enzym-Kombinationen getestet, um Marker zu isolieren, die mit der Laevigatum-Mehltauresistenz gekoppelt sind. Es wurden 4 polymorphe Sonden gefunden, die alle auf Chromosom 2H lokalisiert worden sind.

Der intermediäre Reaktionstyp der MlLa Resistenz erschwert die eindeutige Unterscheidung zwischen resistenten bzw. anfälligen Einzelpflanzen. Aus diesem Grund wurde der genetische Abstand zwischen den polymorphen RFLP-Markern und dem MlLa-Locus mit Hilfe einer Population von Doppel-haploiden-Linien aus einer geeigneten Kreuzung ermittelt. Abbildung 2 zeigt das damit gewonnene Ergebnis und die räumliche Anordnung des MlLa Gens und der damit gekoppelten Marker auf dem Chromosom 2HL.

Die engste Kopplung zeigte der Klon MWG097, dessen Polymorphismus in jedem Fall zusammen mit der MlLa Resistenz vererbt wurde.

Mit Hilfe dieser Sonde kann die An- oder Abwesenheit der MlLa Resistenz der Sorten "Vada", "Alf", "Cerise", zweifelsfrei nachgewiesen werden. Diese Sonde ist daher ein sicheres Werkzeug, das z. B. dazu verwendet werden kann, wertvolle Genkombinationen zwischen MlLa und anderen, ebenfalls mit Hilfe von DNA Sonden markierten Resistenzgenen aus der Nachkommenschaft entsprechender Kreuzungen zuverlässig und mit geringem Arbeitsaufwand auszulesen. Nicht nur die Mehltauresistenzzüchtung kann daher künftig mit Hilfe geeigneter DNA Marker auf eine wesentlich breitere genetische Basis gestellt werden. An Hand einer ständig größer werdenden und über alle Chromosomen unserer Kulturpflanzenarten lassen sich im Prinzip alle ihre Eigenschaften markieren und danach für die Herstellung und Auswahl verbesserter Genkombinationen in den künftigen Zuchtsorten nutzen. Hierin liegt die immense praktische Bedeutung der heute bei allen wichtigen Kulturpflanzenarten im Gang befindlichen "pflanzlichen Genomanalyse".

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Züchterische Nutzung des Gentransfers in Kulturpflanzen

Während und weil die Fortschritte und die Bedeutung der pflanzlichen Genomanalyse in der Öffentlichkeit nur wenig Beachtung gefunden haben, ist der auch bei Kulturpflanzen mögliche Gentransfer gleichsam zum (oft gefürchteten) Synonym für die Anwendung der Gentechnik in der Pflanzenzüchtung geworden.

Im Prinzip handelt es sich dabei um die konsequente Fortsetzung der molekulargenetischen Analyse. Erbeigenschaften werden nicht mehr nur markiert und innerhalb des zugehörigen Genoms kartiert, sondern sie werden "kloniert", d.h. in ihrer vollen Länge und in funktionsfähigem Zustand aus diesem Verband herausgelöst und mit Hilfe von Mikroorganismen konserviert und in beliebigem Umfang vermehrt, endlich auch in das Genom anderer Organismen transformiert und zur Funktion gebracht. Es wird inzwischen nicht mehr bezweifelt, daß derartige Techniken auch auf höhere Pflanzen anwendbar sind. Gefragt wird vielmehr, was sie nützen können und heftig wird über biologische und ökologische Sicherheitsrisiken diskutiert.

Es ist unbestritten, daß damit neue Wege zur Erweiterung der Kombinationsmöglichkeiten von Erbmaterial in unseren Kulturpflanzen eröffnet werden. Der entscheidende neue Aspekt der Gentechnik in diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit, auch Erbgut völlig unterschiedlicher Organismen einzubeziehen, um es in der Pflanzenzüchtung zu nutzen. Obwohl die genetische Transformation bei den weltweit bedeutsamsten Nutzpflanzen, den Getreidearten, noch immer auf Schwierigkeiten stößt, sind es nicht die noch zu lösenden methodischen Probleme verbesserter Transformationstechniken, welche ihre praktische Bedeutung für die Pflanzenzüchtung begrenzen. Der eigentliche Engpaß liegt heute eher in der Verfügbarkeit von züchterisch interessanten Genen. Hierzu müssen die weiteren Ergebnisse der rasch fortschreitenden Grundlagenforschung abgewartet werden.

Gegenwärtig sind es stets einfach vererbte Strukturelemente, die der bereits vorhandenen Erbinformation in der Regel hinzugefügt werden. Es gibt aber auch Möglichkeiten, mit Hilfe gentechnischer Methoden die Stoffwechselstabilität vorhandener Strukturelemente stillzulegen, und auf diesem Wege Neuland für züchterische Veränderungen an unseren Kulturpflanzen zu erschließen. Der züchterische Nutzen qualitativer Erbänderungen liegt vor allem auf dem Feld der Resistenzzüchtung und qualitativer Veränderungen des Erntegutes.

Auch in der Öffentlichkeit bekannt sind z. B. die gentechnisch vermittelbare Resistenz gegen Viruskrankheiten, gegen Schadinsekten und gegen bestimmte herbizide Wirkstoffe.

Bei Viruskrankheiten kann z. B. über die Klonierung und anschließende Übertragung des Virushüllproteingens in die Pflanze, die Vermehrung der entsprechenden Viruspartikel in den transformierten Pflanzen unterbunden werden. Auf diesem Wege wurden z. B. bei der Zuckerrübe, rhizomania-resistente Pflanzen entwickelt. Allerdings sind vergleichbare Verfahren für Resistenz gegen pilzartige Krankheitserreger bisher nicht verfügbar. Die jüngsten Erfolge bei der Klonierung von Genen, wie z. B. den Resistenzgenen gegen Pseudomonas syringae ( ein bakterieller Krankheitserreger) oder gegen Cladosporium fulvum (ein pilzartiger Krankheitserreger), deuten aber darauf hin, daß ein rascher Fortschritt der Grundlagenforschung in diesem Bereich zu erwarten ist.

Qualitative Veränderungen des Reservestoffwechsels von Kulturpflanzen, die sich mit Hilfe gentechnischer Eingriffe erreichen lassen, eröffnen Möglichkeiten der industriellen Verwertung landwirtschaftlicher Erzeugnisse, u.a. im Bereich der Verwendung von Stärke sowie bestimmter Fettsäuren. Transformierte Pflanzen, die die gewünschten Rohstoffe erzeugen, können somit der Landwirtschaft neue Produktionsmöglichkeiten eröffnen und der Industrie die Umstellung auf die Verwendung nachwachsender Rohstoffe erleichtern.

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Ausblick

Es darf jedoch nicht vergessen werden, daß mit der Einfügung einfach vererbter Resistenz- oder Qualitätsmerkmale nur in Ausnahmefällen schon eine erfolgreiche Neuzüchtung entstanden ist. Dies bleibt auch in der absehbaren Zukunft der Arbeit des praktischen Pflanzenzüchters in seinen Zuchtgärten vorbehalten, weil hierfür ein optimiertes Zusammenwirken aller Gene eines pflanzlichen Genoms im Wechselspiel mit den durch die Umwelt ständig veränderten Wachstumsbedingungen erforderlich ist, das man nur durch vergleichenden Anbau erfassen kann. In diesem Bereich wird daher die markergestützte Selektion weit mehr effektive Hilfestellung leisten können, als die genetische Transformation, da sie sich auf indikative Gensonden stützen kann, die über alle Chromosomen eines Genoms verteilt sind.

Ihrer zunehmenden Bedeutung wird die Pflanzenzüchtung nicht dadurch gerecht, daß sie ihre Tätigkeit vom Versuchtsfeld ins Genlabor verlagert, sondern mit der sinnvollen Einbindung der Erkenntnisse und Ergebnisse aus der pflanzlichen Genomanalyse in den Ablauf bewährter Züchtungsmethoden sowie mit der rechtzeitigen Einbringung transgener Erbeigenschaften in die langwierige Entwicklung konkurrenzfähigen Ausgangsmaterials, aus dem neue Zuchtsorten hervorgehen, die den künftigen Anforderungen an die Landbewirtschaftung gerecht werden.

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Literatur

Limpert, E., D. Andrivon, G. Fischbeck, 1991: Virulence patterns in populations of Erysiphe graminis f. sp. hordei in Europe in 1986. Plant Pathology 39: 402-415

Jahoor, A., 1987: Mehltauresistenz israelischer Wildgersten - Resistenzspektrum, Vererbung und Lokalisierung. Diss. TUM-Weihenstephan,199s

Young, N.D., D. Zamir, M.W. Ganal, S.D. Tanksley, 1988: Use of isogenic lines and simultaneous probing to identify DNA markers tightly linkes to the Tm2a gene in tomato. Genetics 120: 579-585

Jensen, H. P., J. Jensen, J.H. Jørgensen, 1991: On the genetics of Laevigatum powdery resistance in barley. Proc. 6th Intern. Barley Genet. Symp. Helsingborg, 245-248

Jensen, H.P., J.H. Jørgensen, J. Jensen, 1982: Attempts to locate powdery mildew resistance gene MlLa to a barley chromosome. Barley Genet. Newsl. 12: 123-128

Quelle gsf