Forschung

F&E – Biotechnologie

Einführung

Pflanzenzüchtung wird seit vielen Jahrzehnten häufig und in sehr vielen Kulturarten mit Hilfe biotechnologischer Verfahren betrieben, deren Bedeutung immer mehr und sehr schnell zunimmt. In diesem Gebiet haben sich im Wesentlichen zwei grundsätzliche Technologien etabliert, die heutzutage häufig miteinander kombiniert werden. In der modernen Getreidezüchtung spielt die Gewebekultur eine wichtige Rolle und auch aus dem Bereich der Molekularbiologie werden mittlerweile veschiedenste Technologien angewendet, um den Züchtungsprozess zu beschleunigen und Kosten einzusparen.

Dr. Jens WeyenJW
Dr. Anja HanemannAH

Gewebekultur

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts ist man in der Lage, pflanzliche Zellen aus verschiedensten Organen/Geweben in vitro (lat.: im Glas) zu kultivieren. Im Besonderen konnte man verschiedene Verfahren zur Erstellung so genannter doppelhaploider (vollständig reinerbiger) Linien bis zur Routine entwickeln. Die sogenannten Doppelhaploiden haben zahlreiche Vorteile.

Doppelhaploide

Doppelhaploide Pflanzen verfügen über einen doppelten, identischen und daher reinerbigen Chromosomensatz. Solche Pflanzen werden über verschiedenste Verfahren hergestellt. In der Getreidezüchtung haben sich im Wesentlichen die Antheren-/Mikrosporenkultur und die Erstellung haploider Regenerate über weite Kreuzungen (insb. noch bei Weizen verwendet) durchgesetzt. Einen Überblick findet man unter http://www.pflanzenforschung.de/de/themen/lexikon/haploidenzuechtung-1920. Durch die Kombination von Markeranalysen an Spenderpflanzen oder an fertigen doppelhaploiden Regeneraten werden signifikante Kosteneinsparungen möglich.

Die Saatzucht Josef Breun arbeitet zusätzlich zu den konventionellen Züchtungsmethoden (Pedigree, engl. = Stammbaum) mit der Doppelhaploidentechnologie und hat ein großes Interesse diese weiter zu verbessern und zu nutzen.

Embryo Rescue

Nach der Befruchtung der Eizelle kann man den entstehenden Keimling im Gewebekulturlabor aus dem Korn entnehmen und direkt weiter kultivieren. So spart man die Zeit bis zur Abreife und kann so bestimmte Zuchtprogramme besser zeitlich über die Jahreszeiten und mit Hilfe von Gewächshäusern koordinieren und beschleunigen (Optimierung der Aussaatzeitpunkte, Nutzung anderer geografischer Regionen).

Molekulargenetik

Seit den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts konnten zahlreiche molekulargenetische Technologien entwickelt werden. Während diese am Anfang noch sehr kostenaufwändig waren und nur wenige Proben pro Tag analysiert werden konnten, revolutionierte die sogenannte Polymerase-Ketten-Reaktion (http://www.pflanzenforschung.de/de/themen/lexikon/polymerase-kettenreaktion-pcr-227) die Forschung in den letzten Jahrzehnten. Als Folge davon kann man heute sehr viele einfach vererbte Zuchtmerkmale im Labor selektieren und so häufig Kosten einsparen. Heutzutage können jedoch schon viele Millionen Datenpunkte pro Tag mittels verschiedener Chip-basierter Technologien erzeugt werden. Die Pflanzengenomforschung (insb. Genomsequenzierung) und in Verbindung damit bioinformatische und biostatistische Verfahren nehmen daher eine immer größere Bedeutung in der Pflanzenzüchtung ein. Somit ist man mehr und mehr in der Lage auch Zuchtziele im Labor zu selektieren, die komplex vererbt werden.

Weitere Anwendungen sind z.B. Untersuchungen zur genetischen Distanz (Verwandtschaftsanalyse) und zur markergestützten Rückkreuzung von exotischen Herkünften.

Molekulare Marker

Seit dem Jahr 1998 verfügt die Saatzucht Josef Breun GmbH & Co. KG über ein eigenes Protein-Elektrophorese-Labor und seit 2006 über ein Markerlabor in dem verschiedene DNA-basierte Verfahren angewendet werden. Sogenannte Mikrosatelliten Marker (http://www.pflanzenforschung.de/de/themen/lexikon/mikrosatelliten-2046), aber auch die Single Nucleotid Polymorphism (SNP) Technologie (http://www.pflanzenforschung.de/de/themen/lexikon/snp-668) werden verwendet. Wichtige mittels dieser Technologien im Labor selektierte Zuchtziele sind z.B. bei der Wintergerste die Resistenz für Viren des Gerstengelbmosaikvirus-Komplexes und der Gerstengelbverzwergung. Bei der Sommergerste werden z.B. Merkmale wie Rhynchosporium-Resistenz, Braunrost-Resistenz, Fusarium-Resistenz und Qualitätsmerkmale (thermostabile β-Amylase, α-Amylase, GN-Gehalt) analysiert. Bei Weizen können verschiedene Eigenschaften bzw. sogenannte QTLs (quantitative trait loci) überprüft werden. Dazu gehören verschiedene Verzwergungsgene, sowie Resistenzen/Toleranz für die Schwarzbeinigkeit, Fusarium und das Bodenbürtige Weizen Mosaikvirus. Im Protein-Elektrophorese-Labor werden neben Homogenitätsuntersuchungen an Gersten- und Weizenzuchtmaterial auch Qualitätsuntersuchungen (Backqualität) bei Weizen durchgeführt.

Im Rahmen von Forschungsprojekten ist die Saatzucht Josef Breun auch dabei Hochdurchsatztechnologien (Chip-Analysen) mit vielen tausend bis vielen 10.000 Datenpunkten pro Genotyp für die Selektions- und Kreuzungsentscheidungen zu erforschen und zu nutzen.

Gentechnik und neue Züchtungsmethoden

Die Gentechnik hat die Pflanzenzüchtung und die Pflanzenproduktion weltweit stark beeinflusst. Diese Technologie hat auch für die Getreidezüchtung in Europa ein signifikantes Potential, kann jedoch zurzeit aus rechtlichen Gründen und wegen der geringen Akzeptanz in der Bevölkerung dieses nicht entfalten. Daher setzt die Saatzucht Josef Breun keine gentechnischen Methoden für die Sortenentwicklung ein, beobachtet aber die weltweite Technologieentwicklung.

Neue Züchtungsmethoden, die erst im letzten Jahrzehnt zur Praxisreife gebracht wurden und deren Weiterentwicklung aktuell sehr stark weiter betrieben wird sind in der Lage, teilweise ohne unter das Gentechnikgesetz zu fallen, das Pflanzengenom zielgerichtet zu verändern. Sie stellen daher für alle Pflanzenzüchter eine sehr interessante weitere Möglichkeit dar gewünschte Zuchtmerkmale zu entwickeln und in verbesserte Sorten einfließen zu lassen. Unter anderem ist es mit diesen Methoden möglich ein einziges Basenpaar/Nukleotid zielgerichtet an einer exakt festgelegten Stelle im Genom auszutauschen und so eine gewünschte Veränderung herbei zu führen. Einen guten Überblick über diese Technologien findet man hier - http://ftp.jrc.es/EURdoc/JRC63971.pdf. Die Saatzucht Josef Breun beteiligt sich an Forschungsprojekten zu diesen Technologien.

Ausstattung

Die Saatzucht Josef Breun verfügt über ein eigenes biotechnologisches Labor, welches mit modernsten Geräten für molekulargenetische Untersuchungen ausgestattet ist. Für die Durchführung von Experimenten und zur jahreszeitunabhängigen Erstellung und Vermehrung von Saatgut stehen der Saatzucht Josef Breun Gewächshäuser, Klimakammern und Vernalisationsräume zur Verfügung.

Mitgliedschaft in Forschungsvereinigungen und Gesellschaften

Viele Mitarbeiter der Saatzucht Josef Breun sind aktive Mitglieder in der Gesellschaft für Pflanzenzüchtung e. V. (GPZ).

Die Saatzucht Josef Breun GmbH & Co. KG ist Mitglied in der GFPi (Gemeinschaft zur Förderung von Pflanzeninnovation e.V., http://www.bdp-online.de/de/GFP/).