Mutationszüchtung: Der herbeigeführte Zufall

November 2015

Die natür­liche Muta­ti­onsrate in Pflanzen kann durch bio­lo­gische, phy­si­ka­lische oder che­mische Muta­ti­ons­aus­löser dras­tisch erhöht werden, sodass die Wahr­schein­lichkeit steigt, bestimmte erwünschte Ver­än­derung bzw. Eigen­schaften von Nutz­pflanzen zu erzielen. Die meisten heute ver­wen­deten Nah­rungs­pflanzen sind auf diese Weise entstanden. 

Margit Laimer, Fatemeh Maghuly

 

Wie bereits in Teil 1 (JEM 2/​2015) erwähnt, ent­stehen Gen­mu­ta­tionen per­manent und ohne mensch­liches Zutun in jedem Orga­nismus. Die meisten werden umgehend von zellei­genen Repa­ra­tur­me­cha­nismen wieder aus­ge­bessert. Die übrigen sind der Roh­stoff der Evo­lution. Ohne Muta­tionen ent­stünden keine neuen Arten, und Lebe­wesen könnten sich nicht an neue Umwelt­be­din­gungen anpassen, sondern müssten zugrunde gehen. Je nach der Dimension der Ver­än­derung unter­scheidet man drei Kate­gorien von Mutanten.

  • Genom-​Mutationen führen zu einer Änderung der Anzahl der Genome (des Plo­idie­grades), betreffen also die Größe des gesamten Genoms.

  • Chromosomen-​Mutationen betreffen ein­zelne Chro­mo­somen und umfassen neben Phä­no­menen wie Aneu­ploidie (Ver­än­derung der Chro­mo­so­menzahl) vor allem ein­zelne Ver­än­de­rungen von Chro­mo­so­men­ab­schnitten wie Rear­ran­ge­ments als Folge von Chro­mo­so­men­brüchen und werden in Deletion, Dupli­kation, Inversion, Insertion und Trans­lo­kation ein­ge­teilt. So ver­danken bunte Mais­körner ihren ver­schie­denen Antho­cyan­gehalt der Akti­vität von Transposons,

  • Gen-​Mutationen betreffen ein­zelne Nukleotide in einem Gen. Punkt­mu­ta­tionen oder SNPs (Single Nucleotide Poly­mor­phismus), bei denen jeweils ein Nukleotid gegen ein anderes aus­ge­tauscht wird – etwa ein Purin (A ↔ G) oder ein Pyrimidin (C ↔ T), gegen ein anderes – nennt man Tran­si­tionen. Trans­version hin­gegen beschreibt die Sub­sti­tution eines Purins mit einem Pyrimidin oder umge­kehrt. Da diese Art von Mutation die che­mische Struktur der DNA deutlich ver­ändert, sind die Kon­se­quenzen von Trans­ver­sionen meist dras­ti­scher als von Tran­si­tionen. Der Nachweis konnte geführt werden, dass die Ent­stehung von nackten Körnern während der Domes­ti­kation von Mais von einer ein­zigen Aminosäuren-​Substitution in TGA1 (Teosinte glume archi­tecture 1, Teosinte Spel­zen­ar­chi­tektur 1) ver­ur­sacht wurde, die zu einer Funk­ti­ons­än­derung führte. Das gleiche Gen, das in Teosinte ein Tran­skrip­ti­ons­faktor ist, ist in Mais ein Repressor. 

Prinzipien der Mutationszüchtung

Muta­genese nennen Züchter den Versuch, die Zahl von Erb­gut­ver­än­de­rungen einer Pflanze künstlich zu erhöhen (Modi­fi­zie­rungs­tech­niken im Über­blick sind in Abb. 1 dar­ge­stellt). Muta­tionen können durch geeignete che­mische und phy­si­ka­lische Muta­ti­ons­aus­löser (soge­nannte Mutagene) künstlich indu­ziert werden, wodurch die Muta­ti­onsrate stark erhöht wird. 

In der Folge treten erb­liche Ver­än­de­rungen nicht mehr mit der natür­lichen Häu­figkeit auf, sondern mit einer gestei­gerten Häu­figkeit von bis zu 10-2 auf, was 1 Mutation auf 100 statt auf 100.000 bis zu 1.000.000.000 Gene ent­spricht. Durch künst­liche Muta­ti­ons­aus­lösung können nicht nur zuvor aktive Gene inak­ti­viert, sondern auch umge­kehrt inaktive Gene akti­viert werden. 

Muta­ti­ons­züchtung bei Pflanzen war bisher eine recht erfolg­reiche Methode. Die Merkmale, die ver­ändert wurden, betreffen meist gängige Züch­tungs­ziele: Ertrag, Qua­lität, Größe, Krankheits- und Patho­gen­re­sistenz, Toleranz gegenüber abio­ti­schen Stress­fak­toren und neue Eigen­schaften für den End­ver­braucher.  Zur Induktion der Muta­tionen werden bio­lo­gische, phy­si­ka­lische oder che­mische Mutagene verwendet. 

Biologische Mutationsauslösung: Transposons oder springende Gene

Lange Zeit waren die Gene­tiker der Über­zeugung, Gene seien an bestimmten Orten fest in ein Chro­mosom ein­ge­bunden. 1949 brachte Barbara McClintock dieses Dogma zu Fall: sie ent­deckte beim Mais die „sprin­genden Gene“, die ihre Position ver­ändern und sogar in andere Chrom­somen wechseln können. Für diese Ent­de­ckung erhielt sie 1983 den Nobelpreis. 

Später fand man heraus, dass solche mobilen gene­ti­schen Ele­mente nicht nur beim Mais, sondern bei vielen anderen Orga­nismen vor­kommen. Mehr noch: Trans­posons spielen eine wichtige Rolle, da sie neben andern Mecha­nismen zur gene­ti­schen Varia­ti­ons­fä­higkeit von Orga­nismen bei­tragen. Die Vor­gänge, die bestimmte Genen zum „Springen“ befä­higen, beruhen auf ver­schiedene „trans­po­sable ele­ments“, die dafür sorgen, dass sich Gene – etwa solche für die Farbe der Mais­körner – aus ihrer Position im Chro­mosom lösen und an anderer Stelle wieder ein­fügen. Zu einem Trans­poson gehört ein Gen für ein spe­zi­elles Enzym (Ac-​Transposase), das bestimmte Signale (Ds-​Sequenzen) in der DNA „erkennt“, genau dort Stücke aus der DNA her­aus­schneidet und sie an einer anderen, nicht vor­her­sag­baren Stelle wieder in die Erb­sub­stanz inte­griert. Ein solches Trans­poson ist auch für den run­ze­ligen Phä­notyp von Mendel´s Erbsen ver­ant­wortlich (siehe Teil 1). 

Physikalische Mutationsauslösung

Zu den phy­si­ka­lische Muta­genen zählen ioni­sie­rende Strahlen, die einer­seits als sub­atomare Par­tikel (wie Elek­tronen, Pro­tonen, Neu­tronen, Alpha- und Beta-​Partikel) oder als elek­tro­ma­gne­tische Strah­lungen (wie Röntgen‑, Gamma-​Strahlen und kos­mische Strahlung) in der Pflan­zen­züchtung ein­ge­setzt werden. Diese können zu Brüchen und anderen Ver­än­de­rungen in der DNA führen. Die am häu­figsten ver­wen­deten Quellen für Gamma-​Strahlen etwa sind Kobald-​60 und Caesium-137. 

Bereits 1928 mutierte der ame­ri­ka­nische Gene­tiker Lewis Stadler mit Rönt­gen­strahlung die erste Pflanze. 1934 kam die erste Strah­len­mu­tante auf den Markt – eine Tabaksorte aus den nie­der­län­di­schen Kolonien. Mitte der 1950er Jahre gab es eine Blü­tezeit der soge­nannten „Atom­gärten“. Heute ist es kaum vor­stellbar, dass man „nuklearen Reis“, „atomar ange­rei­cherte Tomaten“ oder „atomar ener­ge­ti­sierten“ Mohn anpreisen und ver­kaufen könnte. Ende der 1950er Jahre hin­gegen waren das man­cherorts Verkaufsschlager. 

Bestrahlt wurde die gesamte Palette der wich­tigsten Nah­rungs­pflanzen. Auf den Markt gelangten unter anderem mutierter Reis, Hafer, Raps, Mais, Soja, Kicher­erbse, Erd­nüsse, Bohnen viele Obst- und Gemü­se­sorten, etwa Bananen, Apfel, japa­nische Birne, Mohn und Oliven. Über 3000 Sorten in über 200 Arten sind bisher regis­triert worden (http://mvgs.iaea.org/).  So ist etwa die pilz­re­sis­tente Pfefferminz-​Sorte „Todd’s Mitcham“ ein Ergebnis dieser Zucht­me­thode. Nahezu die gesamte globale Pfef­fer­minz­öl­pro­duktion stammt von einer Mutante ab. 

Auf 75 Prozent der texa­ni­schen Anbau­fläche für Grape­fruit werden heute nach Angaben der Inter­na­tio­nalen Atomenergie-​Organisation IAEA die Sorten „Star Ruby“ und „Rio Red“ angebaut, die unter dem Han­dels­namen „Rio Star“ expor­tiert werden und aus der radio­ak­tiven Bestrahlung der seit 1929 bekannten Sorte „Ruby Red“ her­vor­ge­gangen sind. 

Viele für die Whisky-​Produktion in Schottland genutzten Gers­ten­sorten gehen auf eine Mutante zurück, die durch Bestrahlung erzeugt wurde, etwa Milns Golden Promise. Oder die 1965 in der Tsche­cho­slo­wakei mit Hilfe von Rönt­gen­strahlen geschaffene und  später in ganz Europa ange­baute Gers­ten­sorte „Diamant“. Fast die gesamte Gerste in Europa trägt eines von zwei Genen, die vor Jahr­zehnten durch Strahlen ver­ändert wurden und dafür sorgen, dass die Ähren auf kür­zeren und sta­bi­leren Stängeln wachsen. Zu den in Deutschland gezüch­teten Gers­ten­sorten zählen bei­spiels­weise die Sorten Alexis, Allasch, Amazone, Arena, Araraty‑7, Beate, Cheri, Defia, Defra, Delita, Dera, Derkado, Dorett, Fran­kengold, Ger­linde, Grit Helena, Ilka, Jutta, Korinna, Lada Larissa, Lenka, Maresi, Marina, Matura, Nebi, Nomad, Rumba, Salome, Sissy, Stella, Tamina, Toga und Trumpf. Sie sind ent­weder direkt durch die Mutation nach der Bestrahlung mit schnellen Neu­tronen, Gamma- oder Rönt­gen­strahlen ent­standen oder mit bestrahlten Sorten gekreuzt worden. 

Auch der Großteil des heute in der Mit­tel­meer­region ange­bauten Hart­weizens als Grundlage für Pasta, sind mit Hilfe von Gamma‑, Rönt­gen­strahlen oder schnellen Neu­tronen geschaffene Sorten wie etwa Cas­tel­por­ziano und Cas­tel­fusano. Hartweizen-​Mutanten bedecken heute siebzig Prozent der Anbau­flächen für diese Getreidesorte. 

In den IAEA-​Labors bei Wien wurde durch Bestrahlung mit Gam­ma­strahlen die „Golden Haidegg“ genannte Apfel­sorte aus dem tra­di­tio­nellen „Golden Deli­cious“ gewonnen, ebenso die neue Bana­nen­sorte „Novartia“ und Getrei­de­sorten wie der  perua­nische „Cen­tenario“, die noch in 5000 Metern Höhe wachsen, geschaffen. 

Auf Welt­raum­flügen wird Saatgut dem Ein­fluss der kos­mi­schen Strahlung aus­ge­setzt, um Muta­tionen zu indu­zieren. Derzeit stammt jede vierte durch Strahlen mutierte Sorte aus chi­ne­si­schen Welt­raum­ra­keten. So berichten chi­ne­sische For­scher etwa von einer Soja­bohne, die gegen das Her­bizid Gly­phosat resistent ist (ver­gleichbar den spontan auf­tre­tenden resis­tenten Pflanzen im Feld bzw. den transgen erzeugten und weltweit ange­bauten Sorten). 

Chemische Mutationsauslösung

Zu den che­mi­schen Muta­genen gehören unter anderem Basen­analoga und inter­ka­lie­rende Sub­stanzen, die zu spe­zi­ellen Fehl­paa­rungen bzw. Ras­ter­ver­schie­bungen führen. Ethyl­ni­troi­so­harn­stoff (ENU) und Ethyl­me­than­sul­fonat (EMS) werden expe­ri­mentell zur Muta­genese ein­ge­setzt. Dabei kommt es in der Regel zu Punkt­mu­ta­tionen mit einer Rate von 5x10-4 bis 5x10-2. Die Ethyl­gruppe von EMS reagiert mit Guanin in der DNA, und bildet die anomale Base O‑6-​Ethylguanin. Während der DNA-​Replikation plat­zieren DNA- Poly­me­rasen, häufig Thymin anstelle von Cytosin gegenüber von O‑6-​Ethylguanin. Nach einigen Repli­ka­ti­ons­runden kann dadurch das ursprüng­liche G‑C-​Basenpaar zu einem A‑T-​Paar werden (G‑C → A‑T Tran­sition), wodurch sich die gene­tische Infor­mation der Zelle ändert. 

Sal­pe­trige Säure kann Cytosin in Uracil umwandeln. Uracil paart aber im Gegensatz zu Cytosin mit Adenin, wes­wegen sich das Basenpaar C‑G nach zwei Repli­ka­tionen zu T‑A umwandelt (eine Punkt­mu­tation).  Als weitere Mutagene werden einige Anti­biotika, das Enzym Topoi­so­merase und Natri­umazid (ein Bak­te­rizid) am häu­figsten zur Muta­genese in Pflanzen eingesetzt. 

Die Popu­la­tionen von Mutanten werden mit ver­schie­denen Methoden phä­no­ty­pisch und geno­ty­pisch gescreent, um daraus inter­es­sante neue Kul­tur­sorten zu züchten. Diese Arbeits­schritte dauern oft viele Jahre. 

Protoplastenfusionen

Die besondere Bedeutung der Pro­to­plas­ten­kultur liegt in der Mög­lichkeit, aus ein­zelnen Blättern viele Tau­sende Pro­to­plasten und daraus ent­spre­chend zahl­reiche Pflanzen zu züchten. Pro­to­plasten lassen sich sehr gut zur Selektion und Neu­kom­bi­nation von Pflanzen ein­setzen. Die Methode der soma­ti­schen Hybri­di­sierung erlaubt es, gewünschte Merkmale ver­schie­dener nicht kreuz­barer Eltern­pflanzen zu kom­bi­nieren. So kann z.B. bei der Zell­fusion die Chro­mo­so­menzahl der Zellen ver­doppelt werden, was den Plo­idiegrad der Pflanzen erhöht, um einen Hete­ro­sis­effekt wie bei Hybrid­linien zu erzeugen. 

Unter bestimmten Labor­be­din­gungen können Pro­to­plasten mit­ein­ander fusio­nieren und damit ihre Genome, also ihre Gesamt­aus­stattung an Erb­ma­terial, in einer Zelle ver­einigt werden. 

In sel­tenen Fällen können auch Pro­to­plasten ver­schie­dener Pflan­zen­arten fusio­niert werden. Aller­dings sind die Hybrid­pflanzen in der Regel nicht ver­meh­rungs­fähig. Die von Georg Mel­chers 1978 über Pro­to­plas­ten­fu­sionen erzeugte Tom­offel, ein Fusi­ons­produkt (Chimäre) aus Tomate und Kar­toffel, war steril und hat nie einen wirt­schaftlich inter­es­santen Ertrag her­vor­ge­bracht, weil die Richtung von „Source to Sink“ (also die Haupt­richtung der Ver­la­gerung der Spei­cher­stoffe in einer Pflanze) eben nur in eine Richtung funk­tio­niert. Aller­dings kann man Tom­offeln auch her­stellen, indem man eine Tomaten- auf eine Kar­tof­fel­staude pfropft. 

Polyploidie

Die meisten diploiden (2n) Arten ent­halten zwei Chro­mo­so­men­sätze – jeweils einen von beiden Eltern. Als polyploid bezeichnet man Arten, die mehr als zwei Chro­mo­so­men­sätze ent­halten, etwa  triploide (3n) Was­ser­me­lonen, tetra­ploide Kar­toffeln (4n) oder der hexa­ploide (6n) Weizen. Polyplo­idi­sierung führt zur Ver­grö­ßerung von Zell­kernen, Zellen und ganzer Gewebe, steigert den Ertrag, erhöht die Gen­di­ver­sität und  die gene­tische Puf­fer­wirkung und ver­stärkt den in Teil 1 beschrie­benen Hete­ro­sis­effekt. Daher ist es nicht ver­wun­derlich, dass viele Nutz­pflanzen polyploid sind, etwa Brot­weizen, Hart­weizen, Banane, Kar­toffel, Tabak, Erd­beere, Chry­san­theme, Baum­wolle, Tri­ticale, aber auch Mais, Reis und Sojabohne. 

Polyploide Arten können natürlich auf­treten, aus Kreu­zungen von Eltern mit unter­schied­lichen Chro­mo­so­men­sätzen her­vor­gehen (siehe Pro­to­plas­ten­fu­sionen) , oder durch Che­mi­kalien indu­ziert werden, etwa durch Col­chizin, das Gift der Herbst­zeitlose, oder Ory­zalin die den Spin­del­ap­parat bzw. die Mikro­tubuli hemmen. 

Diese Art der Muta­ti­ons­züchtung wird ein­ge­setzt, um die Frucht­größe zu steigern oder die Frucht­barkeit zu beein­flussen. So haben etwa triploide samenlose (3n) Was­ser­me­lonen drei  Chro­mo­so­men­sätze, die aus der Kreuzung von einer diploiden (2n) und einer tetra­ploiden Eltern­sorte (4n) stammen (Abb. 1). 

All­gemein gilt, dass triploide Apfel- und Bir­nen­sorten (2n = 51) wesentlich geringere Pol­len­mengen aus­bilden als diploide (2n = 34). Daher müssen neben einer triploiden Sorte min­destens zwei diploide Sorten angebaut werden, da die triploide Sorte eine geringere Befruch­tungs­fä­higkeit hat und als Befruch­tersorte nicht geeignet ist.

Der dritte Teil der Serie, in dem transgene Pflanzen, ihre Entstehung und ihr Potenzial sowie die aktuellen Methoden für Genome Editing beschrieben werden, folgt in der nächsten Ausgabe des Journals für Ernährungsmedizin.

 

Univ.-Prof. Dr. Margit Laimer, Univ.-Doz. Dr. Fatemeh Maghuly, Uni­ver­sität für Boden­kultur Wien, Department Bio­tech­no­logie, Abteilung für Pflan­zen­bio­tech­no­logie, Muth­gasse 18, 1190 Wien, margit.laimer@boku.ac.at

 

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