Wie die Drei-Eltern-Züchtung die Effizienz der Pflanzenzüchtung verbessert
Hitze, Dürre und sich veränderndes Schädlingsvorkommen verändern die Zuchtbedingungen schneller, als neue Pflanzensorten entwickelt werden können. Züchter müssen Ertrag, Qualität und Widerstandsfähigkeit in Einklang bringen. Die Kombination von Merkmalen aus entfernt verwandten oder wilden Pflanzenarten ist allerdings zeitaufwendig und wird oft durch biologische Inkompatibilitäten verhindert. Mit finanzieller Unterstützung des Europäischen Innovationsrats (EIC)(öffnet in neuem Fenster) wurde im Rahmen des Projekts 3P-Tec(öffnet in neuem Fenster) an einer Abkürzung einer Drei-Eltern-Züchtungsmethode gearbeitet. Mit dieser können Merkmale dreier Pflanzen in einem einzigen Kreuzungsereignis kombiniert und Merkmale von Wildverwandten eingebracht werden, die mit herkömmlichen Kreuzungen oft nur schwer in moderne Kulturpflanzensorten eingeführt werden können.
Erweiterung der Züchtungsmöglichkeiten durch Drei-Eltern-Kreuzungen
Bei der standardmäßigen Züchtung wird eine Eizelle von einer Samenzelle befruchtet, wodurch Nachkommen mit zwei Elternteilen entstehen. 3P-Tec basiert auf einem ungewöhnlichen, aber tatsächlich vorkommenden biologischen Vorgang, bei dem eine Eizelle mit zwei Spermien verschmilzt. Dazu erklärt Projektkoordinatorin Rita Gross-Hardt: „3P-Tec baut auf der grundlegenden Erkenntnis auf, dass eine pflanzliche Eizelle lebensfähige Nachkommen mit genetischen Beiträgen von einer Mutter und zwei Vätern erzeugen kann, indem sie von Spermien zweier verschiedener Väter befruchtet wird.“ Für Züchter bedeutet dies, dass möglicherweise weniger Generationen erforderlich sind, um wertvolle Merkmale zu kombinieren, da die Merkmalssätze zweier Väter gleichzeitig eingeführt werden können. Die Methode zielt zudem darauf ab, ein häufiges Hindernis bei der Pflanzenzüchtung aus dem Weg zu räumen: Hybridisierungsbarrieren, die zum Absterben der Samen führen, wenn Züchter versuchen, genetisch weit voneinander entfernte Pflanzen zu kreuzen.
Ein genetischer Hebel, der die Erfolgsraten bei der Drei-Eltern-Züchtung erhöht
Über das Kreuzungskonzept hinaus zeigten die Forschenden, dass zwei Enzyme – ECS1 und ECS2 – die Häufigkeit beeinflussen, mit der eine Eizelle mit mehr als einem Spermium verschmilzt. Dieser Vorgang wird als Polyspermie bezeichnet. Mithilfe einer Hochdurchsatz-Screening-Methode fand das Team heraus, dass Pflanzen, denen beide Enzyme fehlten, eine dreifach erhöhte Polyspermie aufwiesen. Bei einer höheren Rate wird es wahrscheinlicher, Nachkommen mit drei Elternteilen zu erzeugen, wodurch der Ansatz effizienter wird. Dieser Schlüsselmechanismus und seine Auswirkungen auf die Effizienz der Erholung von Pflanzen mit drei Eltern wurden in einer von Fachleuten begutachteten wissenschaftlichen Publikation(öffnet in neuem Fenster) dokumentiert.
Vom Zuckerrüben-Prototyp hin zu zukünftigen Pflanzen-Pipelines
Das Projekt 3P-Tec baut auf früheren Arbeiten auf, die vom Europäischen Forschungsrat (ERC)(öffnet in neuem Fenster) im Rahmen der Projekte bi-BLOCK und TriVolve finanziert wurden, und hat sich über den Grundsatzbeweis hinaus in Richtung Anwendung in der Pflanzenzüchtung weiterentwickelt. Einen konkreten Meilenstein stellt die Übertragung auf eine wichtige europäische Kulturpflanze dar. Gross-Hardt merkt an: „Ein wichtiger Meilenstein war die erfolgreiche Etablierung einer Zuckerrübe mit drei Eltern als erster Nutzpflanzenprototyp.“ Die Demonstration dieses Ansatzes an Zuckerrüben zeigt, dass er über Modellpflanzen hinaus angewendet werden kann – eine zentrale Hürde, die überwunden werden muss, bevor Züchter die Methode in großem Maßstab einsetzen können. Das Projekt zielte zudem darauf ab, den Weg für den Einsatz bei weiteren Kulturpflanzen zu ebnen, darunter Kartoffeln. Züchter stehen nämlich unter zunehmendem Druck, klimarobuste Sorten zu entwickeln, ohne dabei Ertragseinbußen hinnehmen zu müssen. Um sicherzustellen, dass die Arbeit mit den kommerziellen Zeitplänen, den Anforderungen an die Robustheit und die Skalierbarkeit im Einklang bleibt, wurden industrielle Züchter einbezogen.
Ein nicht-transgener Weg zu einer beschleunigten, klimafreundlichen Züchtung
Die Projektkoordinatorin stuft 3P-Tec als nicht gentechnisch verändert ein und näher an konventionellen Züchtungsansätzen als an transgenen Methoden – im Einklang mit den geltenden EU-Vorschriften. Eine breitere Nutzung dieses Verfahrens könnte Züchtern helfen, wichtige Leistungs- und Widerstandsfähigkeitsmerkmale rasch zu kombinieren und so die Erträge unter extremen klimatischen Bedingungen zu stabilisieren. Nach vollständiger Umsetzung zeigt sich der praktische Nutzen dieser Technologie am deutlichsten in Bereichen, in denen die konventionelle Züchtung seit langem an ihre Grenzen stößt: Sie ermöglicht den Transfer von Merkmalen über Artengrenzen hinweg, ohne dass jahrelange erfolglose Kreuzungen, wiederholte Rückkreuzungen und verlorene Vegetationsperioden die Erfolge verzögern.
