Zuchtverfahren. Diese Werkzeuge bringen den Fortschritt
Nachdem eine Intensivierung der Düngung und neue Lösungen im Pflanzenschutz bei vielen Kulturen ausgereizt bzw. kaum noch möglich sind, soll die Züchtung es »richten«. Warum es bei einigen Kulturen schneller vorangeht als bei anderen und mit welchen Kniffen und Tricks die Züchter arbeiten, zeigt Thomas Miedaner.
So alt sie auch sein mögen, die Mendelschen Regeln sind heute wie vor über 150 Jahren die Grundlage der Pflanzenzüchtung. Was sich jedoch seit der Zeit Mendels geändert hat, sind die Werkzeuge, mit denen die Züchter an neuen Sorten feilen. Innovative Technologien sorgen für einen höheren Zuchtfortschritt in immer kürzerer Zeit. Und das ist auch dringend nötig. Denn ein nachhaltiger und effizienter Pflanzenbau braucht robuste, ertragreiche und ressourceneffiziente Sorten.
Der Zuchtfortschritt ist ungebrochen.
Er beschreibt den Unterschied der genetisch bedingten durchschnittlichen Leistung einer Population gegenüber der Vorgängergeneration und somit die Veränderung der Merkmale über die Jahre. Die Auswertung von Wertprüfungsdaten zeigt einen signifikanten linearen Anstieg der Erträge über rund 30 Jahre (siehe Grafik). Es gibt keinerlei Anzeichen, dass sich der genetische Fortschritt in den letzten Jahren verlangsamt hat. Es ist kein Zufall, dass Hybridsorten an der Spitze liegen, sondern ein Ausweis der unterschiedlichen Effizienz der Zuchtmethoden. Beim Roggen kann man dies direkt vergleichen. Während die Hybridsorten einen jährlichen genetischen Zuchtfortschritt von 0,88 % gewährleisten, sind dies bei den Populationssorten nur 0,40 %.
Die Erträge auf den landwirtschaftlichen Betrieben liegen 23 % (Winterweizen) bis 43 % (Winterroggen) niedriger als in den Wertprüfungen und stagnieren seit den 2000er Jahren. Ursachen dafür sind die Ausschläge des Klimawandels (Hitze, Trockenheit, Überschwemmungen), aber auch Verschiebungen der Anbauflächen, eine Extensivierung des Anbaus und Beschränkungen der Stickstoffdüngung (rote Gebiete).
Neben der Zuchtmethode spielt auch die Intensität der Züchtung eine entscheidende Rolle. Diese wird bei den »großen Kulturen« immer deutlich höher sein als bei Weidelgräsern, Populationsroggen oder Sommerweizen.
Grundsätzlich ist die Pflanzenzüchtung ein sehr langwieriger Prozess und läuft immer nach demselben Schema ab:
- Erstens: Herstellung neuer Variation, meist durch Kreuzung,
- Zweites: Selektion geeigneter Nachkommen in aufeinanderfolgenden Generationen,
- Drittens: Erstellung der neuen Sorte.
Je nach Kulturart dauert es fünf bis acht Jahre, bis eine neue Sorte für die Wertprüfung beim Bundessortenamt angemeldet werden kann. Bei ausdauernden Arten (Weinreben, Obstgehölze) dauert es noch viel länger. Deshalb sind alle Techniken, die das Verfahren beschleunigen, nicht nur hochwillkommen. Sie erhöhen auch den Zuchtfortschritt.
Welche Techniken für welche Kulturen?
Die Zuchtmethoden richten sich nach der Art der Vermehrung einer Kulturpflanze. Grundsätzlich gibt es bei den landwirtschaftlichen Arten drei Möglichkeiten: vegetativ (Klonung), durch Selbstbefruchtung oder durch Fremdbefruchtung. Dabei werden jeweils völlig andere Züchtungsverfahren eingesetzt, die zu unterschiedlichen Sortentypen führen: Klonsorten, Liniensorten, Populations- bzw. Hybridsorten (Übersicht). Da Klonsorten nur vegetativ vermehrt werden (also durch Knollen oder Seitentriebe), ist eine Sorte hier absolut gleichförmig im Aussehen (homogen). Alle Pflanzen sind genetisch identisch. Da auch zu Beginn der Klonzüchtung eine Kreuzung steht, sind die Einzelpflanzen genetisch aber heterozygot (mischerbig).
Bei Selbstbefruchtern kommt es nach der Kreuzung automatisch zur Selbstung. Dadurch werden die Pflanzen in jeder Generation homogener und homozygoter (reinerbig), wobei am Ende eine reine Linie steht. Bei der Fremdbefruchtung gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten. Die Vermehrung durch offene Bestäubung vorselektierter Familien ergibt eine Populationssorte mit heterogenen, heterozygoten Einzelpflanzen. Die gezielte Kreuzung zweier Inzuchtlinen führt zu einer homogenen Hybridsorte; die Einzelpflanzen sind heterozygot. Bei allen Sortentypen, außer der Hybridsorte, führt der Nachbau zu genetisch identischen Nachkommen.
Am schnellsten geht es bei Mais. Er ist eine Sommerfrucht, und die Südhalbkugel kann für Vermehrungen und Kreuzungen genutzt werden. So sind zwei Feldgenerationen pro Jahr möglich. Zusätzlich verkürzen Doppelhaploiden-Techniken das Verfahren. Dabei lassen sich mit einem genetischen Trick nach der Kreuzung in einer Generation vollständig homozygote Nachkommen produzieren. Die früher üblichen Selbstungen über mehrere Generationen entfallen dann. Dasselbe kann man auch bei anderen Kulturen wie beispielsweise Raps und Gerste erreichen.
Bei Sommerkulturen ist das sogenannte Speed Breeding besonders effizient. Dabei wird durch technische Tricks (Beleuchtung, Temperatur, Tageslänge) die Pflanzenentwicklung enorm beschleunigt. Dabei entstehen zwar nur ganz wenige Samen, diese genügen aber für die Fortführung. So können bei Sojabohnen in einem Jahr fünf bis sechs Generationen erzielt werden. Die Pflanzen sind nach der Kreuzung dann schon nach einem Jahr weitgehend homozygot. Dabei kann man bereits in diesem Stadium mit genetischen Markern auf wichtige Einzelgene selektieren, die etwa Blühzeit und Wuchshöhe bestimmen, oder auf monogenisch vererbte Krankheitsresistenzen. Marker sind DNS-Abschnitte, deren Lage im Genom bekannt ist, die mit molekularen Techniken leicht zu erkennen sind und in Zusammenhang mit erwünschten Merkmalen stehen. Kennt man beispielsweise einen eng koppelnden Marker für eine monogenische Rostresistenz, kann man diesen nutzen, um bereits im Keimlingsstadium die resistenten Nachkommen einer Kreuzung im Labor anhand dieses Markers auszusuchen (= markergestützte Selektion). Trotzdem muss natürlich anschließend mehrortig auf die jeweils wichtigen anderen Merkmale (Zuchtziele) im Feld selektiert werden (Grafik). Dabei führt man zunächst eine Selektion auf einfache Merkmale, also solche mit hoher Erblichkeit, durch (z. B. Blüh-/ Reifezeit, Wuchshöhe, bestimmte Krankheitsresistenzen, TKG). Dadurch wird die Zuchtpopulation eingeschränkt und die vorhergehende Markerselektion im Feld verifiziert. Anschließend werden die selektierten Genotypen im Labor mit Markerchips, die Zehntausende genomweit verteilte Marker enthalten, analysiert und mit Computermodellen eine genomische Selektion durchgeführt. Dabei selektiert man gleichzeitig auf alle Zuchtziele mit allen vorhandenen Markern, um die Nachkommen mit den jeweils besten Kombinationen herauszufiltern. Auch diese Selektion kann nach einigen Vorarbeiten (»Trainingspopulation«) im Labor stattfinden. Die genomische Selektion ist besonders bei Merkmalen geeignet, bei denen viele Gene wie die Instrumente in einem Orchester zusammenspielen – etwa bei Kornertrag, komplex vererbten Krankheitsresistenzen oder vielen Qualitätsmerkmalen.
Alle genannten modernen Verfahren zusammengenommen bezeichnet man als SMART Breeding (»Selection with Markers and Advanced Reproductive Technologies«) oder »Präzisionszüchtung«. Dabei werden DNS-Analysen nur zur Diagnose verwendet, und es kommt zu keiner gentechnischen Veränderung der Pflanzen.
Das ist natürlich bei der herkömmlichen Gentechnologie, bei der komplette, meist artfremde Gene in Kulturpflanzen eingebracht werden, anders. Im Gegensatz dazu erlaubt die Genomeditierung einen punktuellen Eingriff in einzelne Gene derselben Kulturpflanze. Dies kann die gezielte Ausschaltung von Genen oder deren Veränderung zum Ziel haben. Inzwischen können damit auch viele einzelne Gene gleichzeitig verändert werden. Die rechtliche Situation ist in der EU noch unklar, da es bisher keine bindenden Beschlüsse für diese Technik gibt. Das verhindert die praktische Umsetzung der Genomeditierung bei uns. In vielen Ländern wie beispielsweise den USA ist das anders.
Nach der genomischen Selektion wird die dann deutlich eingeschränkte Population intensiv im Feld auf alle Zuchtziele geprüft (Grafik). Insgesamt sind beim Weizen 28 Merkmale zu berücksichtigen, bei Mais sind es nur halb so viele. Auch das bedingt einen Unterschied im Zuchtfortschritt. Hinzu kommen im Zuge des Klimawandels Eigenschaften wie Hitze- und Trockenheitstoleranz oder Nährstoffeffizienz. Sie können mithilfe von Drohnen oder Feldrobotern erfasst werden. Dabei setzt man entweder normale RGB-Fotos ein, um Farbunterschiede der Parzellen zu messen, Thermographie für Unterschiede im Krankheitsbefall oder Spektralanalysen. Letztere können den Grünaspekt, Stresssituationen und sogar die Biomasse vor der Ernte abschätzen. Auch die Nahinfrarotspektroskopie des Erntegutes ermöglicht Rückschlüsse auf wichtige Qualitätsmerkmale. Diese Techniken erlauben eine phänomische Selektion, die den Zusammenhang zwischen Hunderten von Wellenlängen und bestimmten Eigenschaften nutzt.
Fazit
Die Pflanzenzüchtung war schon immer die Basis für eine produktive Landwirtschaft. Durch die Einschränkungen der Düngung, dem Wegfall vieler Pflanzenschutzwirkstoffe und dem fortschreitenden Klimawandel nimmt ihre Bedeutung aber noch weiter zu. In Deutschland arbeiten 58 Unternehmen mit eigenen Zuchtprogrammen an landwirtschaftlichen Kulturen. Allein bei Weizen gibt es rund 20 unabhängige Züchtungsprogramme, die eine große Sortendiversität sicherstellen. Moderne Techniken beschleunigen den Züchtungsprozess und erhöhen die Effizienz. Sie haben über die vergangenen Jahre einen kontinuierlichen Zuchtfortschritt ermöglicht und werden dies auch zukünftig tun.
