Innovative Pflanzenzüchtung

Pflanzen stellen die größte natürliche Ressource für eine nachhaltige Entwicklung der Menschheit dar. Sie liefern nicht nur Nahrungs- und Futtermittel, sondern werden auch für die Erzeugung verschiedenster Rohstoffe und erneuerbarer Energie genutzt.

Vor ca. 12.000 Jahren begannen die Menschen Pflanzen zu domestizieren: Sie suchten besonders vorteilhafte Pflanzen nach ihrem Phänotyp aus und pflanzten deren Saatgut erneut. Durch das Auftreten von zufälligen Mutationen und Rekombination entstanden im Laufe der Jahrtausende aus Wildpflanzen unsere heutigen Kulturpflanzen.

Pflanzenzüchtung ist ein Prozess, der nie abgeschlossen ist, auch die modernen Hochleistungssorten unserer Kulturpflanzen werden stetig weiterentwickelt. In dem sehr zeitaufwändigen Prozess können bis zu zwölf Jahre vergehen, ehe nach einer Kreuzung und etlichen Selektionsschritten eine Zuchtlinie entsteht und als neue Sorte zugelassen wird. Die Züchtungsziele sind entsprechend langfristig ausgerichtet.
Angesichts des stetigen Wachstums der Weltbevölkerung, des Klimawandels und des fortschreitenden Verlusts an Ackerland ist die Bedeutung der Pflanzenzüchtung enorm, muss sie doch auf all diese globalen Herausforderungen Antworten in Form von entsprechend angepassten Pflanzensorten für die Landwirtschaft der Zukunft entwickeln. Die Hauptziele moderner Züchtungsprogramme umfassen daher eine breite Palette: Von der Stärkung der Widerstandskraft gegen abiotischen und biotischen Stressfaktoren über Steigerung von Erträgen und Ertragsstabilität sowie Verbesserung der Qualitätseigenschaften bis zur Optimierung der Ressourceneffizienz. Auch mit den sich verändernden Gesundheits- und Geschmacksvorlieben der Kundschaft will die Pflanzenzucht Schritt halten.

In enger Kooperation mit diversen Pflanzenzuchtunternehmen betreibt die Abteilung »Funktionelle und Angewandte Genomik« umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Erzeugung neuer und ertragreicher Nutzpflanzen durch klassische und moderne Zuchtverfahren. Im Vordergrund steht dabei vor allem die Entwicklung und Anwendung von zuchtbegleitenden und beschleunigenden Methoden wie Tilling und molekulare Marker. Im Labor nutzen die Forscherinnen und Forscher auch innovative Technologien der Genom Editierung, um die Funktion der Gene zu analysieren. Die gewonnen Erkenntnisse fließen in die Züchtungsprozesse ein und tragen so ihren Teil zur Beschleunigung der Entwicklung neuer Sorten bei.

Tilling

TILLING (Targeting Induced Local Lesions In Genomes) ist die zielgerichtete Suche nach induzierten kleinen Genveränderungen und stellt eine moderne Methode der reversen Genetik dar, in der von einer abweichenden Funktion auf ein Gen geschlossen wird. Sie verbindet eine jahrzehntealte Technik der Pflanzenzüchtung, die Mutagenese mit modernen Techniken zum Durchmustern größerer Pflanzenpopulationen auf molekularer Ebene. Tilling stützt sich auf neueste Erkenntnisse der Pflanzen-Genomforschung und ist auf praktisch jede Kulturpflanze anwendbar, unabhängig von deren Genomgröße und Ploidiegrad.
Mit Hilfe der Chemikalie Ethylmethansulfonat (EMS) werden zuerst Punktmutationen im Pflanzengenom erzeugt, die im Anschluss durch moderner Verfahren der Hochdurchsatz-Analytik aufgespürt werden. Für fast 800 Landpflanzen sind die Genome bereits sequenziert und mehr und mehr Biosynthesewege sind verstanden. So können viele relevante Zielgene identifiziert und durch Einsatz der Tilling-Technologie beispielsweise die Bildung unerwünschter Inhaltsstoffe verhindert oder Biosynthesewege moduliert werden.


Für die Kartoffel entwickelten wir eine modifizierte Tilling-Technik, die die artspezifischen Besonderheiten (Autotetraploidie, Heterozygotie, vegetative Vermehrung) berücksichtigt. Im Fokus stand das gbssI-Gen (stärkekorngebundene Stärke-Synthase I), dessen Genprodukt für die Biosynthese von Amylose verantwortlich ist. Bei der Durchmusterung der Mutanten der Tilling-Population wurden die Forschenden fündig:  Das inaktive gbssI-Allel verwendeten Züchter für die Züchtung der Hochamylopektin-Kartoffeln.

 

Entwicklung molekularer Marker

Molekulare Marker sind kurze DNA-Abschnitte, deren Sequenz und Lage im Genom bekannt ist. Ihr wichtigstes Merkmal: Sie werden gemeinsam mit einer bestimmten Eigenschaft vererbt. So lässt sich dieser Marker bereits im Keimling schnell und einfach nachweisen, ohne darauf warten zu müssen, dass die Eigenschaft selbst in den ausgewachsenen Pflanzen zur Ausprägung kommt. Die Nutzung Molekularer Marker verkürzt den langjährigen Selektionsprozess und beschleunigt dadurch den Züchtungsprozess.  
In der modernen Pflanzenzüchtung werden unterschiedliche Markertypen verwendet, zum Beispiel SNP-Marker (Single Nucleotide Polymorphisms). Bei diesem Typ handelt es sich um Punktmutationen, die lediglich ein Basenpaar betreffen.

Für die Kartoffel identifizierten wir in einem binationalen Projekt mit chilenischen Forschenden einen SNP-Marker für einen erhöhten Anthozyangehalt der Knollen.