Eine neue Methode zur genetischen Veränderung von Kulturpflanzen verhindert Kreuzkontamination
Wir benötigen nachhaltige und effiziente Möglichkeiten, eine wachsende Bevölkerung zu ernähren: Laut Aussage der Bevölkerungsabteilung der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2017, wird es bis 2055 10 Milliarden Menschen geben, die ernährt werden müssen. Gleichzeitig werden Landflächen durch das Meer und Wüsten ausgehöhlt und der Boden verarmt zunehmend. Die genetische Veränderung von Kulturpflanzen könnte eine Lösung darstellen, aber zurzeit sind nützliche Eigenschaften zum Großteil polygen und betreffen Pflanzen, die sich über Bestäubung vermehren. Die meisten Kulturpflanzen vermehren sich auf diese Weise und das Risiko der Kreuzbestäubung zwischen modifizierten und nicht modifizierten Pflanzen stellt eine Herausforderung dar. „Wenn die Pflanze sich ohne Pollen vermehren kann, kann man transgene apomiktische, männlich sterile Pflanzen verwenden, die keine Pollen produzieren und daher keine transgene Pollen auf biologisch bebaute Felder übertragen“, erklärt Professor Emidio Albertini von der Universität Perugia und leitender Forscher des EU-finanzierten Projekts PROCROP. „Die Introgression von Apomixis von wilden verwandten Arten in Kulturpflanzen und die Transformation sexueller Genotypen in Genotypen, die sich apomiktisch vermehren, sind lang gehegte Ziele der Pflanzenzucht“, erklärt er. Bei der traditionellen Züchtung werden im Anschluss an die phänotypische Auswahl einige Genotypen ausgewählt. Diese werden dann auf ihre jeweiligen spezifischen Kombinationsfähigkeiten geprüft, um als Elternlinien für die Bildung heterotischen F1-Hybridsaatguts (jenes, das bei hybriden Abkömmlingen eine verbesserte oder gesteigerte Funktion einer beliebigen biologischen Eigenschaft bietet) verwendet zu werden. Die Inzuchtlinien mit der besten Leistung werden ausgewählt, auf isolierten Feldern vervielfältigt und in paarweisen Kombinationen gekreuzt, um einheitliche, widerstandsfähige und ergiebige F1-Hybride zu erhalten. Diese Vorgehensweise erfordert jedoch mehrere Maßnahmen: Die zwei Inzuchtlinien müssen rein gehalten und auf getrennten Feldern vervielfältigt werden. Um das Hybridsaatgut zu erhalten, ist es anschließend notwendig, ein fest zugeordnetes Feld einzurichten, auf dem etwa ein Viertel der Pflanzen als Bestäuber (d. h. ingezüchtete Pollenspender) fungieren, während das hybride F1-Saatgut von den verbleibenden Pflanzen geerntet wird. Landwirte können Saatgut, das aus F1-Hybriden gewonnen wurde, nicht wiederverwenden, da dieses Saatgut aufgrund der genetischen Segregation und Rekombination zu äußerst variablen Populationen führt. „Die Verwendung von apomiktischen Linien, also jene, die sich ungeschlechtlich, ohne Befruchtung, vermehren, macht die ganze Situation ungleich einfacher. Sobald überlegene Inzuchtlinien ausgewählt wurden, die als Elternsaatgut verwendet werden sollen, können sie mit klonalen Linien als Pollenspender gekreuzt werden, die das Gen für Apomixis tragen, um F1-Hybridsaatgut zu gewinnen, das sich einen äußerst heterozygoten Genotyp teilt. Von diesem Augenblick an kann jede F1-Hybridvariante mehrere Generationen lang mit permanent fixierten Eigenschaften verwendet werden“, so Prof. Albertini. Er erklärt, dass Züchter glauben, dass die Einführung von Apomixis in agronomisch bedeutsamen Kulturpflanzen für die Landwirtschaft von revolutionärer Bedeutung wäre. Die Fixierung der Widerstandsfähigkeit des Hybridsaatguts durch Apomixis ist sowohl für Züchter als auch Landwirte ein erstrebenswertes Ziel und wird voraussichtlich einen revolutionären Einfluss auf die Nahrungsmittelproduktion und landwirtschaftliche Erzeugung haben. „Die Auswirkungen apomiktischer Kulturpflanzen wären vergleichbar mit, wenn nicht sogar bedeutender als, die Auswirkungen der grünen Revolution, besonders in Ländern der Dritten Welt. Tatsächlich wurde geschätzt, dass die Verwendung von Apomixis-Technologie allein bei der Erzeugung von Hybridreis zu Vorteilen im Wert von über 1 800 Millionen Euro pro Jahr führen könnte.“ Die Apomixis-Technologie könnte auch Vorteile für klonal vermehrte Kulturpflanzen wie Mangos bieten. Klonale landwirtschaftliche Erträge leiden aufgrund von Pathogenen (vor allem virale und endophytische), die sich über aufeinanderfolgende vegetative Vermehrungsrunden anhäufen und den Ertrag sowie den Austausch von Keimplasma zwischen Ländern erheblich einschränken. „Die Verwendung der Apomixis-Technologie bei diesen Kulturpflanzen würde die zusätzliche Option und den Vorteil der Vermehrung über klonales Saatgut eröffnen, sodass krankheitsfreies Material gewonnen wird, das leichter gelagert und transportiert werden kann“, so Prof. Albertini. Diese Forschung wurde im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Programms gefördert. Das Team arbeitet nach wie vor zusammen, um Licht auf die genetische Steuerung der Apomixis zu werfen, und hat ein Folgeprojekt vorgestellt, das auf der vielversprechenden Grundlagenarbeit von PROCROP aufbauen soll.
Schlüsselbegriffe
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