Bunte Kartoffeln

Bunte Kartoffeln sind nicht nur schön anzusehen, sondern auch gesundheitsfördernd, da sie im Gegensatz zu ihren blassen Artgenossen größere Mengen an farbigen, sekundären Pflanzenstoffen enthalten, sogenannte Anthozyane. Um diese möglichst vielen Menschen zugänglich zu machen, wurden im Projekt »MoMaPo« (Molecular markers for the generation of potatoes with enhanced anthocyanin content) molekulare Werkzeuge zur gezielten Züchtung derartiger Kartoffeln entwickelt.

© Fraunhofer IME | Birgit Orthen
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© Jost Muth

Sekundäre Pflanzenstoffe in der menschlichen     Ernährung

Selbst in Industrienationen mit ausgezeichnetem Nahrungsangebot und -vielfalt ist der Obst- und Gemüsekonsum oft relativ gering und liegt weit unter international empfohlenen  Mengen. Den größten Teil unserer Ernährung decken wir mit wenigen Grundnahrungsmitteln wie Reis, Mais, Weizen und Kartoffeln. Eine überwiegend auf Pflanzen basierende menschliche Ernährung kann, insbesondere wenn sie auf Obst  und Gemüse fußt, einen wertvollen Beitrag zur menschlichen Gesundheit leisten, da pflanzliche Nahrung neben den klassischen Makronährstoffen Kohlenhydrate, Proteine und Fette immer auch sekundäre Pflanzenstoffe enthält.

Sekundäre Pflanzenstoffe sind organische Verbindungen, die meist in spezialisierten Zellen vorkommen, wo sie für die gesamte Pflanze eine wichtige Rolle spielen: Z. B. beim Schutz  vor Fressfeinden oder durch ihre attraktive Färbung. Eine Vielzahl der sekundären Pflanzenstoffe hat auch positive Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, was Wissenschaftler zu nutzen wissen. So basieren beispielsweise viele Pharmazeutika auf pflanzlichen Sekundärmetaboliten. Aber auch heute liegen die Wirkmechanismen einiger sekundärer Pflanzenmetabolite noch im Dunkeln.
Eine große Gruppe sekundärer Pflanzenstoffe sind die wasserlöslichen Anthozyane,       die zur Gruppe der Flavonoide gehören. Man findet sie im Zellsaft nahezu aller höheren Pflanzen. Meistens kommen sie in den Blüten und Früchten vor, wo sie für die teils intensive rote, violette oder blaue Färbung verantwortlich sind. Daher kommt auch ihr Name. Er besteht aus zwei Teilen: Ánthos, dem altgriechischen Wort für Blüte oder Blume und kyáneos, dem altgriechischen Wort für dunkelblau bzw. dunkelfarben. In Pflanzen erfüllen Anthozyane drei Hauptaufgaben: Sie absorbieren das kurzwellige UV-Licht der Sonne und geben die Strahlungsenergie als Wärme wieder ab. So werden Proteine und DNA Moleküle in den Zellen vor der schädlichen Wirkung der UV-Strahlen geschützt. Außerdem werden durch die intensive Färbung Insekten und andere Tiere angelockt. Sie sorgen für die Vermehrung und Verbreitung der Pflanze. Des Weiteren haben Anthozyane eine starke antioxidative Wirkung. Ist die Pflanze oxidativem Stress ausgesetzt, entstehen u. a. freie Radikale, die mit Sauerstoffmolekülen zu reaktiven Sauerstoffradikalen reagieren und einen negativen Einfluss auf den Stoffwechsel der Pflanze haben. Freie Radikale stehen auch beim Menschen in Verdacht mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung zu stehen. Anthozyane sind in der Lage freie Radikale unschädlich zu machen und daher werden ihnen gesundheitsfördernde Wirkungen zugeschrieben. So konnte in Studien an Mensch und Tier gezeigt werden, dass Anthozyane anti-entzündliche, anti-virale und anti-kanzerogene Eigenschaften besitzen. Außerdem wurden positive Effekte auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Fettleibigkeit, erhöhte Cholesterinwerte und Gedächtnisleistung beobachtet.

Die meisten Grundnahrungsmittel, wie zum Beispiel Weizen oder Reis, sind relativ arm an Anthozyanen, sodass Obst und Gemüse derzeit die Hauptquellen für Anthozyane in der menschlichen Ernährung darstellen. Die Kartoffel bildet hier eine Ausnahme, da es, neben den gelb- und weißfleischigen auch alte, weniger bekannte blau- und rotfleischige Kartoffelsorten gibt, deren Farbe auf das Vorkommen von Anthozyanen zurückzuführen ist. Insbesondere in Südamerika sind noch viele gefärbte alte Landrassen zu finden, die für die Züchtung moderner leistungsfähiger Kartoffelsorten mit hohem Gehalt an Anthozyanen genutzt werden können.

© Fraunhofer IME | Birgit Orthen
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Kartoffelzüchtung mit molekularen Werkzeugen

Die Kartoffelzüchtung ist ein komplexer Prozess und insbesondere die Genetik von quantitativen Merkmalen wie z. B. der Anthozyangehalt im Knollenfleisch ist schwer aufzulösen. Neue Sorten werden durch Kombinationszüchtung entwickelt indem zwei Sorten oder Klone mit gewünschten Eigenschaften gekreuzt werden. Die Kreuzungs- und Selektionsprozesse zur Züchtung einer neuen Kartoffelsorte auf klassische Weise dauern ca. zehn Jahre.

Durch den Einsatz von molekularen Markern für verschiedene Merkmale, lässt sich dieser Prozess jedoch erheblich verkürzen. Schon früh im Selektionsprozess können diejenigen Nachkommen ausgesucht werden, die gewünschte Merkmale ausprägen werden. So könnten beispielsweise Pflanzen ausgewählt werden, die resistent gegen bestimmte Krankheiten sind, ohne sehr aufwendige Resistenztests im Feld oder Gewächshaus durchführen zu müssen. Ein derartiges Vorgehen nennt man Marker gestützte Selektion oder auch »Smart Breeding«. Für bestimmte Merkmale ist die Verwendung derartiger Marker unabdingbar. Kreuzt man z. B. farbige Landsorten mit ungefärbten Elitesorten, so können ungefärbte Nachkommen entstehen, da sich wichtige Allele für die Anthozyanproduktion abspalten. Um das Merkmal hoher Anthozyangehalt wiederherzustellen, müssen später Linien, die verschiedene komplementäre Allele enthalten, in weiteren Kreuzungen kombiniert werden. Daher müssen solche vorteilhaften Allele auf molekularer Ebene identifiziert werden, um das nötige Werkzeug für derartige Züchtungen bereitzustellen, was Ziel des binationalen Kooperationsprojekts »MoMaPo« ist. Die beteiligten Partner, Universidad Austral de Chile, Fraunhofer Chile Research, und Fraunhofer IME konnten dazu auf die Kartoffel-Genbank der Universidad Austral de Chile zurückgreifen, die die außergewöhnlich große Biodiversität der chilenischen Kartoffeln repräsentiert. Ein wichtiger Teil dieser Genbank sind die im Bereich der Insel Chiloe gesammelten Kartoffeln, die sich durch eine besonders hohe Diversität im Merkmal farbige Knollen auszeichnen. 290 dieser Pflanzen wurden in Hinblick auf potenzielle Marker für einen erhöhten Anthozyangehalt analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse wurden anschließend bioinformatisch mit dem ermittelten Anthozyangehalt assoziiert, sodass molekulare Marker identifiziert werden konnten, die künftig zur Züchtung von Leistungssorten mit farbigem Knollenfleisch eingesetzt werden können.

 



Das Projekt wurde gefördert durch


das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme Wissenschaftlich-Technologische Zusammenarbeit (WTZ) mit Chile

Ausgewählte Publikation

 

Solís et al. Allelic diversity of three anthocyanin synthesis genes in accessions of native Solanum tuberosum L. ssp. tuberosum at the Potato Genebank of the Universidad Austral de Chile. Genet Resour Crop Evol (2021)