Forschung

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 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.

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).

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) und ermöglichte die breite Anwendung. Als Folge davon kann man heute sehr viele einfach vererbte Zuchtmerkmale im Labor selektieren und so häufig Kosten einsparen. Mittlerweile können auch 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.

Seit dem Jahr 1998 verfügt die Saatzucht Josef Breun GmbH & Co. KG über ein eigenes Protein-Elektrophorese-Labor und seit 2006 über ein DNA-Labor in dem Analysen mit molekularen Markern (https://www.pflanzenforschung.de/de/pflanzenwissen/lexikon-a-z/molekulare-marker-1628) zur markergestützten Selektion (https://www.pflanzenforschung.de/de/pflanzenwissen/journal/was-ist-markergestuetzte-selektion-11020) durchgeführt werden. 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, Mehltau-Resistenz und Qualitätsmerkmale (Enzymaktivitäten, GN-Gehalt) analysiert. Bei Weizen können verschiedene Eigenschaften z.B. verschiedene Verzwergungsgene, sowie Resistenzen/Toleranz für Halmbruch, Gelbrost, Fusarium und das bodenbürtige Weizen Mosaikvirus nachgewiesen werden. Weitere Anwendungen von molekularen Markern sind z.B. Untersuchungen zur genetischen Distanz (Verwandtschaftsanalyse) und zur markergestützten Rückkreuzung von exotischen Herkünften.

Im Protein-Elektrophorese-Labor werden neben Homogenitätsuntersuchungen an Gersten- und Weizenzuchtmaterial auch Qualitätsuntersuchungen (Backqualität) bei Weizen durchgeführt.

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.

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/).

Markerlabor und PreBreeding PDF herunterladen

Die Genomische Selektion ist eine moderne Methode der Pflanzenzüchtung, die auf genomischen Informationen basiert. Sie stellt eine bedeutende weitere Säule neben den traditionellen Züchtungsmethoden dar, die auf phänotypischen Merkmalen und Abstammungsinformationen beruhen. Durch die kombinierte Anwendung von genomischer Selektion und herkömmlicher Züchtungsmethoden ist es möglich den Zuchtfortschritt zu beschleunigen und die Effizienz eines Zuchtprogramms zu erhöhen.

Grundprinzipien der Genomischen Selektion

1. Genotypisierung: Die erste Phase der genomischen Selektion ist die Genotypisierung, bei der die DNA der Pflanze analysiert wird. Dies geschieht durch die Untersuchung von vielen DNA-Markern, die über das gesamte Genom verteilt sind. Moderne Techniken wie Genotypen-by-Sequencing (GBS) oder SNP-Chips (Single Nucleotide Polymorphism) ermöglichen die effiziente und kostengünstige Erfassung von tausenden bis Millionen genetischer Marker.

2. Phänotypische Bewertung: Parallel zur Genotypisierung erfolgt die detaillierte phänotypische Bewertung einer großen Anzahl von Pflanzen. Diese Bewertung umfasst die Erfassung von Merkmalen wie Ertrag, Krankheitsresistenz, Toleranz gegenüber abiotischen Stressfaktoren (z.B. Trockenheit) und Qualitätseigenschaften (z.B. Backeignung, Braueignung).

3. Modellierung und Vorhersage: Basierend auf den gesammelten genetischen und phänotypischen Daten wird ein Vorhersagemodell erstellt. Dieses Modell, verknüpft mithilfe statistischer Methoden, wie z.B. des Ridge-Regressions-BLUP (Best Linear Unbiased Prediction), die genetischen Marker mit den beobachteten phänotypischen Eigenschaften. Das Modell kann dann verwendet werden, um den genetischen Wert (genomic estimated breeding value, GEBV) neuer Pflanzen vorherzusagen, die noch nicht phänotypisch bewertet wurden.

4. Selektion: Die Pflanzen mit den höchsten GEBVs werden für die nächste Zuchtgeneration ausgewählt. Da die Genotypisierung bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium der Pflanzen erfolgen kann, ist es möglich, schneller und effizienter zu selektieren, ohne auf die vollständige phänotypische Beurteilung warten zu müssen.

Vorteile der Genomischen Selektion

• Beschleunigung des Zuchtfortschritts: Durch die Vorhersage der besten Zuchtkandidaten auf Basis ihrer genomischen Informationen kann die Zeit zwischen den Generationen reduziert werden. Dies ist besonders wichtig für Pflanzenarten mit langen Generationszyklen.
• Erhöhte Präzision: GS ermöglicht eine präzisere Auswahl von Zuchtkandidaten, da sie die gesamte genetische Information berücksichtigt und nicht nur ausgewählte Marker oder phänotypische Merkmale.
• Kosteneffizienz: Langfristig können die Kosten für phänotypische Bewertungen reduziert werden, da weniger Pflanzen umfassend getestet werden müssen. Die initialen Investitionen in Genotypisierungstechnologien können durch die gesteigerte Effizienz und den schnelleren Zuchtfortschritt ausgeglichen werden.
• Vielfalt und Nachhaltigkeit: Durch die Einbeziehung einer breiten genetischen Basis und die gezielte Auswahl können auch seltene, aber wertvolle Allele in den Zuchtprozess integriert werden, was zur Erhaltung der genetischen Vielfalt beiträgt.

Anwendungen und Herausforderungen

Die genomische Selektion wird bereits erfolgreich in der Züchtung verschiedener Kulturpflanzen wie Mais, Weizen, Reis und Sojabohnen eingesetzt. Sie kann zur Verbesserung von Ertrag, Qualität, Resilienz gegenüber Umweltbedingungen und Resistenz gegenüber Krankheiten beitragen.

Herausforderungen bestehen jedoch weiterhin, insbesondere in der initialen Kostenintensität der Genotypisierung und in der Notwendigkeit großer und gut charakterisierter Referenzpopulationen. Zudem erfordert die effiziente Nutzung von GS die Integration von Fachwissen aus den Bereichen Genetik, Statistik und Bioinformatik.

Fazit

Genomische Selektion ist ein revolutionäres Werkzeug in der modernen Pflanzenzüchtung, das die Effizienz und Genauigkeit der Zuchtprozesse erheblich steigern kann. Durch die Nutzung umfassender genetischer Informationen ermöglicht sie einen schnelleren und gezielteren Fortschritt bei der Entwicklung neuer Pflanzensorten, die den steigenden Anforderungen an Ertrag, Qualität und Nachhaltigkeit gerecht werden.
(Quelle: Chat GPT - fachlich überprüft durch unsere Mitarbeiter)

Für Selektions- und Kreuzungsentscheidungen setzt die Saatzucht Josef Breun seit einigen Jahren die genomische Selektion in ihren Zuchtprogrammen ein. Dazu werden jedes Jahr viele tausende Zuchtlinien mit SNP-Chips genotypisiert. Die Auswertung der Daten erfolgt in-house.