Hybrid-Mais: Zusätzliche Gene steigern Ertrag

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Maiswurzeln haben das Geheimnis eines seit mehr als 100 Jahren bekannten Phänomens der Pflanzenzucht verraten. Quelle: flickr.com/gorgeoux

18.12.2012  - 

Ein seit mehr als 100 Jahren bekanntes Phänomen der Pflanzenforschung scheint entschlüsselt. Ein Forscherteam der Universität Bonn hat zusammen mit Kollegen aus Tübingen und den USA eine mögliche Erklärung dafür gefunden, warum Hybridpflanzen deutlich höhere Erträge erzielen als reinerbige Sorten. Über Maiswurzeln kamen die Wissenschaftler dem als „Heterosis“ bekannten Effekt auf die Schliche. Sie entdeckten dort, dass in den Hybridpflanzen mehr Gene aktiv sind als in den reinerbigen Exemplaren. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der Fachzeitschrift Genome Research (2012, Bd. 22, S. 2445-2454).

Das Gegenteil des „Heterosis-Effekts“ nennt sich „Inzuchtdepression“: Bei reinerbigen Pflanzenlinien nehmen die Ernteerträge mit jeder Generation ab. Da Getreide eine wichtige Rolle bei der Ernährung der Weltbevölkerung spielt, sind die meisten Getreidepflanzen in Europa und den USA inzwischen Hybride. „Mischlinge – auch Hybride genannt – sind deutlich leistungsfähiger als die reinerbigen Sorten“, sagt Frank Hochholdinger, Inhaber des Lehrstuhls für funktionelle Genomik der Nutzpflanzen an der Universität Bonn.

Ursache für Ertragssteigerung lange ungeklärt

Bei Getreidearten wie Mais oder Roggen kann dieser Heterosis-Effekt sogar zu einer Verdopplung des Ertrags führen. So ist ein Maiskolben einer Hybridpflanze häufig viel größer als der einer reinerbigen Pflanze. Das Phänomen ist seit Jahrhunderten bekannt, die molekularen Ursachen nicht. Forscher der Universität Bonn verglichen mit ihren Kollegen der Iowa State University und des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie Tübingen versuchten jetzt, den Heterosis-Effekt aufzuklären. In den Wurzeln von jungen Maispflanzen verglichen sie die Genaktivität zwischen reinerbigen und mischerbigen Pflanzen. Dazu suchten sie mit Hilfe von Hochdurchsatzverfahren nach Transkripten – einer Art Kopie, die die im Erbgut kodierte Information in einen Bauplan für Eiweiße übersetzt. „Es ist immer dann ein Transkript vorhanden, wenn das entsprechende Gen aktiv ist“, erläutert Hochholdinger das Prinzip. Die Forscher suchten nun gezielt danach, von welchen Genen eine solche Abschrift vorlag. Ihre Ergebnisse liefern nun auf molekularbiologischer Ebene Argumente für die bereits 1917 formulierte Komplementationshypothese, nach der sich die vorteilhaften Komponenten des Erbguts der beiden reinerbigen Eltern in Mischlingen gegenseitig ergänzen.Folge 75 von biotechnologie.tv zeigt unter anderem, wozu Hightech-Methoden in der Pflanzenforschung gut sind.Quelle: biotechnologie.tv

Wachstumsschub durch zusätzlich aktivierte Gene  

Den Forschern zufolge waren von den insgesamt 39.656 bekannten Mais-Genen sowohl bei den reinerbigen als auch bei den mischerbigen Pflanzen fast 90 Prozent aktiv. Es zeigte sich jedoch, dass in den Hybriden noch einige hundert Gene zusätzlich angeschaltet waren. Bei der Vererbung werden immer gleichermaßen Anteile von Vater und Mutter weitergegeben, die jedoch sehr unterschiedlich ausgeprägt sein können. In den Mischlingen kommen diese verschiedenen Anlagen zusammen und werden dann gemeinsam aktiv. „Es handelt sich bei den etwa 350 bis 750 zusätzlich aktiven Genen im Vergleich zu den etwa 34.000 aktiven Genen um eine vergleichsweise geringe Zahl“, sagt Hochholdinger. „Dennoch könnte der individuell vermutlich sehr geringe Beitrag jedes dieser Gene in Summe für den Wachstumsschub bei den Hybriden sorgen.“  

Erkenntnisse sollen Zucht vereinfachen 

Die Forscher wollen nun mehr darüber herausfinden, welchen Vorteil die zusätzliche Genaktivität den Hybriden bringt. Die Erkenntnisse des Forscherteams haben absehbar einen großen praktischen Nutzen. Bislang können Pflanzenzüchter nur aufwändig herausfinden, welche der unzähligen Kombinationen der tausenden verschiedenen Maislinien Hybride mit hoher Leistungsfähigkeit hervorbringen. „Unsere Erkenntnisse könnten dazu beitragen, eine Vorauswahl zu treffen und damit den Züchtungsaufwand geringer zu halten“, sagt Hochholdinger.

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