Genetik und Pflanzenzüchtung

Austausch von genetischen Information

Bei der generativen Vermehrung von allogamen Pflanzen kommt es durch die breitflächige Verteilung von Pollen über Wind oder Insekten zwischen den Pflanzen einer Sorte zu einem Austausch von genetischen Informationen.

Bei Pflanzen, bei denen die Befruchtung innerhalb einer Blüte derselben Pflanze stattfindet, sind die männlichen und die weiblichen Information identisch. Somit kommt es nicht zu einem Austausch von genetischen Informationen. Bei vegetativ vermehrten Pflanzen handelt es sich bei den Jungpflanzen um genetisch identische Klone der Mutterpflanze. Auch hier findet kein Austausch von genetischen Informationen statt.

Der Austausch von genetischen Informationen, der bei der sexuellen Fortpflanzung zwischen Individuen stattfindet und von der die Folgegeneration profitiert, wird als eine wichtige Grundlage evolutionärer Prozesse in der Natur gesehen.

Neben dem Austausch von genetischen Informationen über die Gameten gibt es in der Natur allerdings weitere Mechanismen, durch die genetische Informationen verändert, ausgetauscht und neu gespeichert werden können. Diese sind zum Beispiel im Bereich der Epigenetik und der Mikrobiologie zu finden.

Die Epigenetik beschäftigt sich mit der Frage, wie Umwelteinflüsse als weitervererbbare  Informationen in den Zellen gespeichert werden; in der Mikrobiologie wird erforscht wie Bakterien und Viren als Überträger von genetischen Informationen von einem Lebewesen zum anderen fungieren. (siehe auch epigenetische Mechanismen)

 

Bonitierung / Bonitur

Die Bonitur eines Pflanzenbestandes besteht in einer systematischen Untersuchung auf der Ebene des Phänotyps einer Nutzpflanzensorte. Die Bonitur erfolgt nach verschiedenen Kriterien wie z.B. im Bereich von Entwicklung (Pflanzengröße, Wurzelwerk etc.) und Störungen (Wachstumsstörungen, Mangelerscheinungen, Krankheiten, Schädlinge etc.): Sie orientiert sich an Check-Listen, wird schriftlich festgehalten und analytisch ausgewertet.

Die Bonitur findet ihren Einsatz z.B. in Anbauversuchen von neuen Sorten. Sie kann dabei einerseits die Sorteneigenschaften prüfen und bewerten und andererseits Anhaltspunkte für längerfristige Prozesse und Entwicklungen liefern, wenn sie einen mehrjährigen Anbau von einer Sorte begleitet und somit für eine vergleichende Analyse benutzt wird.

CMS

CMS ist eine Abkürzung aus dem Englischen und heißt ausgeschrieben „cytoplasmatic male sterility“. Die cytoplasmatische männliche Sterilität tritt auf natürliche Weise bei bestimmten allogamen Pflanzen auf. Dadurch, dass bei einer gewissen Zahl von Pflanzen einer Population der Pollen steril ist, wird die Selbstbefruchtung eingeschränkt und die Fremdbefruchtung gefördert (Die Pflanzen mit sterilem Pollen müssen ja zwangsläufig von anderen Pflanzen bestäubt werden.).

 

CMS-Technologie

Bei der in der F1-Hybridzüchtung eingesetzten CMS-Technologie wird die Protoplasten- und Cytoplastenfusion durchgeführt, um die gezielte Kreuzung der beiden Hybrid-Elternlinien zu erleichtern.

So kann zum Beispiel bei der Entwicklung einer Brokkoli-Hybridsorte die natürliche cytoplasmatische Sterilität des Rettichs in das Erbgut des Brokkolis, der keine natürliche CMS  aufweist, eingebracht werden, indem Rettich-Cytoplasten mit Brokkoli-Protoplasten verschmolzen werden (Diese Technologie wird nicht zuletzt dadurch möglich, dass die genetische Information für die CMS-Sterilität nicht auf der DNS im Zellkern gespeichert ist sondern in der mitochondrialen DNS des Zellsaftes (Cytoplasma).).

Bei der Kreuzung der beiden Elternlinien zur Gewinnung des F1-Hybridsaatguts ist es notwendig, dass der Pollen der Mutterlinie steril ist. Nur so wird gewährleistet, dass die Pflanzen der Mutterlinie ausschließlich vom Pollen der Vaterlinie befruchtet werden und es keinerlei Selbstbefruchtung durch den eigenen Pollen der Mutterlinie gibt.

Bei der Samenernte wird dann nur das Saatgut der Mutterlinie geerntet. Durch die CMS-Technologie ist eine hundertprozentig reine Kreuzung von Vater und Mutter gesichert.

Die CMS-Technologie wird bei Kohl, Möhren, Lauch, Zwiebel, Chicorée, Raps, Roggen und Weizen eingesetzt. Bei Pflanzen mit relativ großen Antheren kann auch eine mechanische Kastration der Mutterlinie durchgeführt werden (z.B. bei Mais, Kürbis und Tomate).

Bei Nutzpflanzen, die für ihre Samen kultiviert werden (Getreide und Raps), muss die CMS nach der Kreuzung durch Restorer-Gene wieder aufgehoben werden, da die künstlich induzierte männliche Sterilität weiter vererbt wird und eine Samenbildung bei der F1-Generation verhindern würde. Bei den Gemüsearten, die für Wurzeln und Blätter angebaut werden, wird die Sterilität nicht wieder aufgehoben. Somit ist ein Nachbau (erneutes Aussäen von geerntetem Saatgut) von F1-Hybriden durch den Anbauer unmöglich.

Obwohl bei der CMS-Technologie ein Austausch von genetischem Material zwischen verschiedenen Pflanzenarten stattfindet, handelt es sich nach dem gültigen Gesetzestext (Gesetz zur Regelung der Gentechnik, Deutschland, 2008) nicht um eine gentechnische Veränderung, da die CMS-Information nicht in der DNS des Zellkerns gespeichert ist sondern im Zellplasma.

Weiterführende Links:

orgprints.org/13573/2/billmann-2008-protoplasten.pdf

www.bmelv.de/SharedDocs/Standardartikel/Landwirtschaft/Pflanze/GrueneGentechnik/Gentechnikrecht.html

www.gesetze-im-internet.de/gentg/

www.demeter.de/sites/default/files/public/pdf/negativ_cms_liste.pdf

 

DNS / DNA

DNS ist die Abkürzung für Desoxyribonukleinsäure; im internationalen Sprachgebrauch wird häufig die englische Abkürzung DNA verwendet. Die DNS ist das Trägermolekül der Gene. Es ist in einer Art doppelten Spirale strukturiert, die als Doppelhelix der DNS bezeichnet wird. Damit die DNS eines Menschen auf den Chromosomen im Zellkern einer nur einige Mikrometer (1 Mikrometer = 1 Millionstel Meter) großen Zelle Platz findet, ist sie auf unvorstellbar filigrane Weise mehrfach gefaltet, gedreht und gewunden. Im ausgestrecktem Zustand würde sie eine Gesamtlänge zwischen 1 und 2 Metern (verschiedene Angaben in den Quellen von 1m über 1,8m bis über 2m) aufweisen. Jede menschliche Körperzelle, und es gibt derer etwa 100 Billionen (= 100.000 Milliarden!), trägt dieselbe DNS in ihrem Zellkern.

Damit es nun zur Ausbildung von verschiedenartigen Zelltypen (z.B. Muskel-, Nerven-, Knochen-, Organzellen u.v.a.) kommt, werden je nach Zelltyp andere Teilabschnitte der DNS für die Proteinsynthese benutzt.

 

Epigenetische Mechanismen

Von epigenetischen Mechanismen bei Pflanzen wird gesprochen, wenn von Umwelteinflüssen stammende Impulse in Form von Erbinformationen nicht in der DNS sondern „neben“ oder „über“ ihr (also „epi“-genetisch ) gespeichert werden. Obwohl sie nicht direkt im genetischen Code des Lebewesens gespeichert sind, können diese Informationen im Zuge der Proteinsynthese von einer Zelle zur anderen und bei der Fortpflanzung von einer Generation an die nächste weitergegeben werden. Die Epigenetik beschreibt also Mechanismen der Genregulation, die nicht in der DNS codiert sind. So kann es, auch ohne dass der genetische Code der DNS (der Genotyp) verändert wird, zu Veränderungen im Phänotyp eines Lebewesens kommen. (siehe auch Austausch von genetischen Informationen)

 

Erbinformation

Eine Erbinformation ist ein Teil des genetischen Bauplanes eines Lebewesens. So wie der Bauplan eines Hauses alle nötigen Informationen dafür enthält, wie mit welchen Materialien das Haus einen materielle Form erhalten kann, entsteht aus den Erbinformationen ein lebendiger Organismus. So wächst aus den in Samen- und Eizelle enthaltenen Erbinformationen aus der befruchteten Eizelle über den Embryo allmählich ein erwachsenes Lebewesen heran. Nach diesem Prinzip werden Erbinformationen also von den Eltern an die Kinder weiter vererbt. Die Erbformationen eines Lebewesens sind aber nicht als statische Datenbank zu sehen. Im Laufe eines Lebens können sie sich unter dem Einfluss von verschiedenen Lebensbedingungen und -umständen durchaus verändern. (siehe auch epigenetische Mechanismen)

Erhaltungszüchtung

Die Erhaltungszüchtung wird nur bei samenfesten, offen abblühenden Linien- oder Populationssorten durchgeführt. Bei ihr geht es darum die spezifischen Merkmale und Eigenschaften einer Sorte von einer mit natürlichen Methoden durchgeführten generativen Vermehrung zur nächsten sortentreu zu erhalten.

Hybridsorten werden dadurch „erhalten“, dass zur Saatgutvermehrung die beiden Elternlinien jedes Jahr wieder neu gekreuzt werden.

 

Evolutive Züchtung

Bei der evolutiven Züchtung dreht es sich ebenso wie bei der Verbesserungszüchtung um längerfristige Züchtungsprozesse, bei der über die Jahre immer jeweils die als die besten Pflanzen erachteten Individuen weiter vermehrt werden. Wo bei der Verbesserungszüchtung aber eher vom Züchter gewünschte Zuchtziele verfolgt werden, handelt es sich bei der evolutiven Züchtung eher um fortschreitende Anpassungsprozesse. Der Samenbauer begleitet die jeweilige Sorte über die Jahre und wählt bei jeder neuen Generation immer wieder diejenigen Individuen als Samenträger, die sich im Laufe der Zeit jeweils am besten unter den in seiner Region herrschenden Bedingungen entwickeln.

Besonders die sich in globalen Ausmaß verändernden klimatischen Bedingungen („Klimawandel“) stellen eine Herausforderung an die evolutive Züchtung dar. In der Praxis sind die Unterschiede zwischen Verbesserungszüchtung und evolutiver Züchtung eher fließend.

 

Gen

Gene sind die Träger der Erbinformationen und bilden in langen Sequenzen aneinandergereiht die DNS (DNA). Die DNS (DNA) wiederum befindet sich in den Chromosomen im Kern einer jeden Körperzelle eines Lebewesens.

Gene tragen codierte Erbinformationen, die in einem äußerst komplexen Prozess in Proteinen (Eiweißen) ihre materielle Ausformung finden. Proteine stellen als Struktur-, Funktions-, Regel- und Wirkstoffe die wichtigsten Bauteile eines lebendigen Organismus dar.

 

Genetik

Die Genetik ist die Wissenschaft der Gene, der Erbinformationen von Lebewesen. Es gibt in ihr verschiedene Teilbereiche.

So behandelt z.B. die Vererbungslehre die biochemischen Mechanismen der Weitergabe von Erbinformationen von Eltern an Kinder und beschäftigt sich also mit der Frage, nach welchen Gesetzmäßigkeiten Erbinformationen weitergegeben werden und wie sie sich im Laufe der Generationen und im Zuge einer fortschreitenden Evolution allmählich verändern können.

In der Mikrobiologie hingegen werden die biochemischen Mechanismen der Zelldifferenzierung erforscht. Hier handelt es sich um die Frage, wie aus den codierten unendlich komplexen Erbinformationen schlussendlich die verschiedenen Zelltypen eines Organismus entstehen können.

Auch die Gentechnik, in der es um die gezielte künstliche Veränderung von Erbgut geht, ist ein Teilbereich der Genetik.

 

Genetische Ressourcen

Als genetische Ressourcen werden Pflanzensorten und Kultivare bezeichnet, die als Ausgangsmaterial für die Züchtung neuer Sorten benutzt werden.

Genexpression / Proteinsynthese Die in den Genen gespeicherten Erbinformation werden von der DNS im Kern einer Zelle in Boten-RNS transkribiert (umgeschrieben oder kopiert) und dann in die Ribosomen der Zelle „geschickt“. Die Ribosomen sind die „Proteinfabriken“ einer Zelle, in der mithilfe von (aus der Nahrung aufgenommenen oder im Körper selbst hergestellten) Aminosäuren als „Baustoffen“ die körpereigenen Proteine (Eiweißstoffe) hergestellt werden. Proteine stellen als Struktur-, Funktions-, Regel- und Wirkstoffe die wichtigsten Bauteile eines lebendigen Organismus dar.

Der Ausdruck der Gene, die Genexpression findet also durch DNS-Transkription und Proteinsynthese in den Proteinen ihre materielle Ausformung.

Welche zell- und aufgabenspezifischen Proteine aus der kompletten Menge an Erbinformationen der DNS gebildet werden, hängt dabei von dem ungemein komplexen Prozess des Gen-Splicings (auf deutsch „Spleißen“) beim Erstellen der Boten-RNS ab.

Weiter führende Links:

www.biosicherheit.de/lexikon/862.splicing-spleissen.html

de.wikipedia.org/wiki/Spleißen_(Biologie)

 

Genom

Das Genom bezeichnet die Gesamtheit der Erbinformationen eines Lebewesens, also seinen genetischen Code. Das Genom eines Lebewesens entsteht im Augenblick der Verschmelzung von Samen- und Eizelle, wenn sich das Erbgut des Vaters mit dem Erbgut der Mutter in der befruchteten Eizelle verbinden. Das Genom dieser ersten Zelle findet sich vollständig in jeder weiteren Zelle des Lebewesens wieder. Das Genom ist im Zellkern in den Chromosomen gespeichert, die die DNS mit ihren Gensequenzen enthalten.


Genotyp

Der Genotyp bezeichnet die genetische Ausstattung eines Lebewesens; das heisst, die genetischen Informationen, die in seinem genetischen Code enthalten sind. Es gibt dabei (u.a.) einen artenspezifischen Genotyp, der z.B. bewirkt, dass aus einem Tomatensamen wieder eine Tomate erwächst, den sortenspezifischen Genotyp, durch den sich die verschiedenen Tomatensorten z.B. in Form, Farbe, Inhaltsstoffen und Geschmack unterscheiden und den individuellen Genotyp, der bewirkt, dass jede Tomatenpflanze ein genetisches Individuum ist, das sich in geringem aber bestimmten Maße von allen anderen Tomaten ihrer Sorte unterscheidet.  Darüber hinaus stellt jede Pflanze ein realer Phänotyp dar, also eine unter den jeweiligen Wuchs- und Kulturbedingungen erwachsene Interpretation des Genotyps dar. Der Genotyp beschreibt folglich das Potential einer Art oder Sorte, während der Phänotyp das Ergebnis der umweltbedingten Interpretation des Genotyps darstellt. (siehe auch Phänotyp)

 

Heterosis

Die Heterosis ist ein Phänomen, das bei der Hybridkreuzung bei Kulturpflanzen beobachtet werden kann: Wenn zwei reinerbige (homozygote) Pflanzen derselben Art aber von verschiedenen Sorten gekreuzt werden, kommt es zum Heterosis-Effekt: Die Nachkommen der ersten nachfolgenden Generation (erste Filial-Generation oder „F1“) weisen ein kräftiges Wachstum sowie eine große Homogenität in Aussehen und Entwicklung auf.

Der Heterosis-Effekt ist in diesem Sinne ein der Inzuchtdepression entgegengesetztes Phänomen.

Zum Heterosis-Effekt kommt es nicht nur bei der Hybrid-Kreuzung von reinerbigen Pflanzensorten, sondern z.B. auch zwischen verschiedenen reinrassigen Hunden (Mischlingshunde) oder zwischen Pferden und Eseln (Maultiere oder Mulis).

Hybridzüchtung In der Hybridzüchtung werden so genannte F1-Hybrid-Sorten entwickelt, die in ihren marktrelevanten Eigenschaften den samenfesten Sorten überlegen sind.

Das Saatgut von Hybridsorten besteht aus den nach der Kreuzung der beiden Elternlinien von der Mutterlinie geernteten Samen. Werden die Samen vom Anbauer ausgesät, entsprechen die daraus entstehenden Kulturpflanzen der ersten Filial-Generation (daher die Bezeichnung „F1“) nach der Kreuzung der Eltern.

Dank des Heterosis-Effekts zeichnen sich F1-Hybriden sich durch besondere Wüchsigkeit, einen sehr homogenen Phänotyp und eine sehr gleichmäßige Erntereife eines Bestandes aus.

Von der ersten Filialgeneration gewonnene Samen sind entweder steril oder bringen Pflanzen mit sehr heterogenen Eigenschaften hervor. Daher sind Samengewinnung und Nachbau (erneutes Aussäen von geerntetem Saatgut) von F1-Hybriden in der Regel kulturtechnisch uninteressant.

Vom Standpunkt einer evolutiven Züchtung sind Hybridsorten ebenfalls uninteressant, da sie jedes Jahr durch Kreuzung derselben Eltern wieder neu entstehen. Es handelt sich immer wieder um dieselbe F1-Generation nach Kreuzung der Elternlinien; die genealogische Reihe stagniert und entwickelt sich nicht weiter.

(siehe auch: Hybridsorten / Heterosis / Inzuchtsdepression / CMS / CMS-Technologie / Protoplasten- und Cytoplastenfusion / Reinerbigkeit / Homozygotie)

 

Insitu-Erhaltung

Wenn man bei der Erhaltungszüchtung von in-situ-Erhaltung spricht, dann ist gemeint, dass die betreffende Sorte in ihrem natürlichen Umfeld, das heißt im Feld oder auf dem Beet unter natürlichen Kulturbedingungen über die Jahre wiederholt vermehrt wird und dabei jedes Mal auf die Erhaltung der sortenspezifischen Merkmale und Eigenschaften geachtet wird. Gemäß der Philosophie einer naturgemäßen Landsortenzüchtung ist die in-situ-Erhaltung der einzig gangbare Weg, da ja nicht nur der Phänotyp sondern langfristig auch der Genotyp über die Jahre durch die Umwelteinflüsse geprägt wird.

Die in-situ-Erhaltung entspricht in diesem Sinne auch den Prinzipien der evolutiven Züchtung.

 

In-vitro Vermehrung

Die In-vitro-Vermehrung stellt eine Form der vegetativen Vermehrung dar, die nur im Labor in Reagenzgläsern unter sterilen Bedingungen erfolgen kann (in vitro : „im Glas“). Hierbei werden einzelne Zellen oder Zellenhaufen („Kallus“, Mz.: „Kalli“) von einer Mutterpflanze in Nährlösungen zu vollständigen Jungpflanzen heran gezogen. Diese Art der vegetativen Vermehrung erlaubt es innerhalb kürzester Zeit eine große Anzahl von Pflanzen vegetativ zu klonen; dies geschieht dabei mehrere tausendmal schneller und zahlreicher als durch die klassische  vegetative Vermehrung über Stecklinge.

 

Inzuchtdepression

Zu der so genannten Inzuchtdepression kommt es im Laufe über mehrere Jahre / Pflanzengenerationen wiederholter erzwungener Selbstung (Selbstbefruchtung)  innerhalb einer Linie einer allogamen Pflanzenart. Die wiederholte Selbstung ist notwendig in der F1-Hybrid-Züchtung, um reinerbige Eltern-Linien zu erhalten, bevor diese miteinander gekreuzt werden. Eine mehrfach wiederholte Inzucht bewirkt dabei eine fortschreitende Abnahme der Leistungsfähigkeit der Individuen der Inzuchtlinie. Diese Degenerierung, die als Inzuchtdepression bezeichnet wird, zeigt sich z.B. in Kümmerwuchs und geringer Vitalität.

Interessant ist, dass die Inzuchtdepression nur bei künstlich erzwungener Selbstung von allogamen Pflanzen auftritt; autogame Pflanzen, die sich ja von Natur über Selbstung vermehren, degenerieren hingegen nicht.

 

Meristemvermehrung

Bei der Meristemvermehrung werden die äußersten Triebspitzen der Mutterpflanze zur Herstellung von neuen Jungpflanzen verwendet. Dies ist eine Art der In-vitro-Vermehrung, bei der virusfreies Pflanzenmaterial vermehrt werden soll.

 

Mutationen

Mutationen sind Veränderungen der Erbinformationen, die entweder spontan auftreten oder von außen induziert werden. Es gibt dabei Mutationen, die an die Nachfolgegeneration vererbt werden und andere, die nicht weiter gegeben werden.

Die Ursachen für Mutationen sind vielfältig, verzweigt, verwoben und noch nicht hinreichend erforscht.
Beispiele für Mutationsmechanismen:

–      Grundlose spontan auftretende Mutationen

–      Äußere natürliche Einflüsse wie veränderliche Lebensbedingungen und Umweltfaktoren

–      Krank machende anthropogene (vom Menschen geschaffene) Faktoren: Chemische Substanzen und radioaktive Strahlen können Mutationen in Form von Krebs oder anderen Stoffwechselstörungen hervor rufen.

–      Fehler in der Übertragung der Erbinformationen zwischen DNS und Körperzelle

–      Herausfallen oder Integration von Transposons. Transposons sind Gensequenzen, die sich entweder spontan oder nach noch nicht erforschten Gesetzmäßigkeiten innerhalb der DNS bewegen und z.B. durch „Andocken“ an anderer Stelle Veränderungen im Genom bewirken können.

–      Integration von Retroviren im Genom mit daraus resultierenden Veränderungen im Erbgut. Retroviren sind ursprünglich Viren, die parasitär in den Organismus eingedrungen sind, sich dann aber in das Genom des Wirtes integriert haben und nun eine lebenswichtige Funktion wahrnehmen. So hat sich z.B. die Gebärmutter (Plazenta) der Säugetiere unter Mitwirkung von Retroviren gebildet; auch an der Ausbildung des menschlichen Immunsystems waren Retroviren beteiligt, die heute integraler Bestandteil des Human-Genoms sind.

–      Künstlich induzierte Mutationen: Vom Menschen künstlich durch Chemie oder Strahlung herbei geführte Mutationen dienen der Schaffung von neuer Variation im Pflanzen-Genom zur Züchtung von neuen Pflanzensorten (Mutationszüchtung).

 

Neuzüchtung, verschiedene Methoden

Die Neuzüchtung einer Sorte kann auf verschiedene Arten und Weisen erfolgen. Die klassische Methode ist die massale Selektion, durch die aus ursprünglichen Wildpflanzen im Laufe der Zeit Kultivare mit den entsprechenden gewünschten Eigenschaften wurden. So wurden z.B. aus Wildgräsern allmählich großährige Getreidepflanzen. Diese Art der Schaffung von Kultivaren, auch Auslesezüchtung genannt wird auch heute, wenn auch nur noch in geringem Maße praktiziert.

Nachdem der deutsche Mönch Gregor Mendel die Vererbungsgesetze bei Pflanzen entdeckt und beschrieben hatte, wurde die Neuzüchtung durch Kreuzung von schon bestehenden Sorten eingeführt. Diese Art der Sortenschaffung, die auch den Beginn des Berufs des Pflanzenzüchters markiert, wird Kombinationszüchtung genannt, da die Eigenschaften von verschiedenen Sorten kombiniert werden. Kreuzungszüchtung, Populationszüchtung und Hybridzüchtung sind verschiedene Formen der Kombinationszüchtung.

Als man begann die Züchtungsarbeit auch im Labor unter Anwendung künstlicher Methoden zu verrichten, wurde die Mutationszüchtung eingeführt, bei der neue Variabilität durch künstlich erzeugte Mutationen geschaffen wird. Bei dieser Methode kommen elektrische oder chemische Impulse zum Einsatz, die nicht vorhersehbare Mutationen hervorrufen, die zu interessanten, neuen Eigenschaften und Merkmalen bei den Pflanzen führen können. Danach folgt eine lange Phase von Selektionsarbeit, bei der die interessantesten Typen weiter vermehrt werden.

Den bisher neuesten Platz bei der Neuzüchtung nimmt die gentechnische Züchtung ein. Hierbei werden gewünschte Eigenschaften auf künstliche hochtechnisierte Weise direkt in das Erbgut von Pflanzen eingeschleust.

 

Partizipative Züchtung

Im Zuge der Entwicklung der Pflanzenzüchtung ist es zu einer fortschreitenden Spezialisierung und somit zu einer Aufspaltung in verschiedene Arbeitsbereiche gekommen. Dies hatte zur Folge, dass Wissenschaftler, Züchter und Anbauer immer weniger direkt zusammen arbeiteten und ein fachspezifischer Austausch immer weniger stattfand. Das Konzept der partizipativen Züchtung, das in den ersten Jahren des 21. Jahrhunderts im Bereich einer bäuerlichen, regionalen und unabhängigen Landwirtschaft entwickelt wurde, sieht eine enge Zusammenarbeit zwischen Anbauern und Wissenschaftlern im Bereich der traditionellen und modernen Landsorten vor, in denen praktische Anbauerfahrungen und wissenschaftliche Analysen zusammengeführt werden mit dem gemeinsamen Ziel einer Erhöhung der Nahrungsmittelqualität nach naturgemäßen Gesichtspunkten.

In einem erweiterten Konzept der partizipativen Züchtung sollen nun auch vermehrt Personen aus den Bereichen Politik, Bildung, Gesundheit und Ernährung sowie der Bürger als „Verbraucher“ im Allgemeinen mit in züchterische Überlegungen und Praktiken einbezogen werden

Pflanzenzüchtung

Der Begriff der Pflanzenzüchtung lässt sich auf mehrfache Weise umschreiben. Einige Beispiele: Pflanzenzüchtung ist

–      die gezielte Veränderung von Geno- und Phänotyp von Kulturpflanzen, die eine für den Menschen vorteilhafte Verbesserung der Eigenschaften bewirken soll,

–      ein von Menschen gestalteter und gelenkter Entwicklungsprozess bei Kulturpflanzen,

–      „vom Menschen gelenkte Evolution“ (Aussage des russischen Botanikers N. I. Vavilov).

Pflanzenzüchtung kann sich dabei natürlicher Züchtungsmethoden bedienen, die im Rahmen dessen bleiben, was auch die Natur praktiziert, oder künstliche Eingriffe unter Laborbedingungen vornehmen, wie es z.B. in der Mutationszüchtung, der Hybridzüchtung und der Gentechnikzüchtung erfolgt.

Die Pflanzenzüchtung befindet sich in einem ständigen Wechselspiel zwischen Einschränkung und Schaffung von Variation.

Eine in ihrem Phänotyp weitgehend homogene Sorte ist das Produkt von einem fortlaufenden Prozess der Einschränkung von Variation: Die einzelnen Pflanzen eines Bestandes sind genetisch so ähnlich, dass ihr Erscheinungsbild weitestgehend homogen auffällt. Nur eine ausreichende Homogenität erlaubt eine Klassifizierung als Sorte. Der Prozess der Züchtung einer Sorte besteht also immer in der Einschränkung von genetischer Variabilität.

Eine neue Sorte, die sich per definitionem in Geno- und Phänotyp von anderen Sorten unterscheiden muss, kann nur aus einer erweiterten Bandbreite an Variabilität entstehen.

Die einfachste Form neue Variationen zu schaffen ist die Kreuzung von zwei oder mehreren Sorten.

Aus dem aus den Sortenkreuzungen geernteten Saatgut werden neue Pflanzen kultiviert, aus deren Beständen dann wiederum die interessantesten Typen ausgesucht werden.

Während bei der Kreuzung neue Variabilität entstanden ist, wird daraufhin bei der Selektion der interessantesten Typen schon wieder mit ihrer Einschränkung begonnen.

 

Phänotyp

Der Phänotyp eines Lebewesens bezeichnet einerseits die materielle Umsetzung bzw. den Ausdruck seines Genotyps oder vereinfacht gesagt, das, was sichtbar oder erkennbar wird: die Merkmale seines äußeren Erscheinungsbildes, seiner Entwicklung, seines Verhaltens usw.

Der Phänotyp ist aber andererseits nicht nur genetisch festgelegt, sondern kann auch beeinflusst und verändert werden durch äußere Umwelteinflüsse, wie z.B. spezifische Lebensbedingungen und -umstände. So kann z.B. eine Pflanze, die in ihrer genetischen Anlage ein wucherndes vegetatives Wachstum eingeschrieben hat, kümmern, wenn z.B. Licht, Wärme, Wasser oder Nährstoffe zu einem guten Wachstum fehlen. Ein und derselbe Genotyp zeigt unter unterschiedlichen Wuchsbedingungen unterschiedliche Ausprägungen des Phänotyps. Andererseits können sich hinter Pflanzen einer Art, die an verschiedenen Standorten ähnlich aussehen, sehr unterschiedliche Genotypen verbergen.

Der Phänotyp wird in seiner Ausprägung also einerseits vom Genotyp und andererseits von seiner Umwelt bestimmt.

 

Protoplasten und Cytoplasten

Protoplasten sind Zellen, deren Zellwand auf enzymatische Weise entfernt worden ist. Bei Cytoplasten hingegen wurde der die DNS enthaltende Zellkern entfernt. Von zwei verschiedenen Pflanzen stammende Protoplasten und Cytoplasten werden bei der CMS-Technologie in der F1-Hybridzüchtung zu neuen Einzelzellen fusioniert.

 

Reinerbigkeit (Homozygotie)

Eine Pflanze wird dann als reinerbig oder homozygot bezeichnet, wenn in ihrer Genexpression kein Raum mehr für individuelle Variation vorhanden ist; das bedeutet, dass die Nachfahren einer reinerbigen Pflanze zur Mutterpflanze keine individuellen Unterschiede aufweisen und untereinander genetisch gesehen fast klonisch gleich sind.

Reinerbigkeit oder Homozygotie wird bei sonst allogamen Pflanzen durch über mehrere Generationen wiederholte Inzucht erreicht. Dadurch wird die Bandbreite des im Phänotyp zum Ausdruck kommenden genetischen Erbmaterials einer Linie von Generation zu Generation immer mehr eingeschränkt, sodass es immer weniger Variation gibt und es schließlich zu einer größtmöglichen Homogenität kommt. Autogame Pflanzen, bei denen es bei der Befruchtung nicht zu einem Pollentausch kommt, sind von Natur aus reinerbig.

Homozygotie ist eine Voraussetzung für die F1-Hybrid-Züchtung.

Resistenz

In der Pflanzenzüchtung umschreibt der Begriff „Resistenz“ die Fähigkeit von Pflanzen Krankheiten und Schädlingen zu widerstehen. So wird eine gegenüber einer bestimmten Krankheit resistente Pflanze beim Vorhandensein von deren Erregern entweder gar nicht erst krank oder aber es gelingt ihr bei Ausbruch der Krankheit diese durch eine metabolische Gegenreaktion zu überwinden. Dies bedeutet, dass die Resistenzgene entweder schon vorhanden sind oder aber im Zuge der Auseinandersetzung mit der Krankheit allmählich entstehen können. Das gleich gilt zum Beispiel für das Vorhandensein von Schädlingen.

Im Bereich der Pflanzenzüchtung unterscheidet man des Weiteren in spezifische angezüchtete Resistenzen gegenüber einer bestimmten Krankheit oder einem bestimmten Schädling und einer allgemeinen nicht spezifischen Resistenz gegenüber Krankheiten und Schädlingen, die in einer guten Vitalität bzw. Gesundheit der Pflanze begründet liegt.

Die züchterischen Vorgehensweisen zur Erlangung einer spezifischen oder einer allgemeinen Resistenz sind dabei sehr voneinander verschieden.

 

Samenbank / Genbank

Gegenüber der insitu-Erhaltung gibt es auch die exsitu-Erhaltung, die in so genannten Gen- oder Samenbanken stattfindet. Hiermit ist einerseits die passive langfristige Konservierung von Kultivar-Saatgut in Kühlschranken und Gefriertruhen gemeint. Gleichzeitig beinhaltet diese Art der Erhaltung auch regelmäßige Keimproben. Wenn nach mehreren Jahren der Konservierung die Keimrate einer Saatgutprobe unter ein kritisches Maß fällt, wird die Probe zur erneuten Saatgut-Vermehrung ausgesät.

Die insitu-Erhaltung hingegen erlaubt es einer Sorte sich über die Jahre im Wechselspiel mit den Umwelt- und Kulturbedingungen weiterzuentwickeln. (siehe auch insitu-Erhaltung)

Toleranz

Der Begriff Toleranz bezeichnet die Fähigkeit von Pflanzen verschiedenen abiotischen Stressfaktoren, die im Bereich der Wachstumsfaktoren liegen, zu widerstehen. Diese können sich zum Beispiel in den folgenden Bereichen manifestieren:

–      Temperatur: Hitze, Kälte, Frost

–      Wasser: Mangel oder Überfluss

–      Nährstoffe: Mangel oder Überfluss

–      pH-Wert: saures oder alkalisches Milieu des Bodens

Toleranzen gehen dabei auf sortenspezifische Eigenschaften zurück. So gibt es Sorten, die besser mit Mangel- oder Überschusssymptomen kommen als andere.

Manchmal wird von Toleranz auch gesprochen, wenn Pflanzen Krankheiten „tolerieren“, das heißt zwar krank werden nicht aber an ihnen zugrunde gehen. Diese Verwendung des Begriffs Toleranz ist aber nicht korrekt, er entspricht eher der Definition der Resistenz (siehe Resistenz).

Traditionelle Züchtungsmethoden

Als traditionelle Züchtungsmethoden gelten massale Auslese und Kreuzungszüchtung (oder Kombinationszüchtung). Die Methode der massalen Auslese geht dabei auf den Beginn der Zeit zurück, in der die Menschen anfingen Landwirtschaft zu betreiben, indem sie Samen von Wildpflanzen selektierten, ernteten und an von ihnen ausgewählten Stellen wieder aussäten. Die Methode der Kreuzungszüchtung, bei der bestehende Kultivare oder Sorten miteinander gekreuzt werden, um ihre Eigenschaften zu kombinieren, geht auf den Beginn des 20 Jahrhunderts zurück und hatte die vom deutschen Mönch Gregor Mendel entdeckten Vererbungsgesetze zur Grundlage.

Des Weiteren entsprechen die traditionellen Züchtungsmethoden folgenden Kriterien:

–      Die Züchtungsarbeit findet auf der Ebene der ganzen (erwachsenen) Pflanze statt (und nicht wie bei den modernen Züchtungsmethoden auf der Ebene von Pflanzenfragmenten, einzelnen Zellen oder der DNS.

–      Die Züchtungsmethoden orientieren sich an auch in der freien Natur ablaufenden Vorgängen wie Auslese der besten Individuen und Kreuzungen innerhalb verwandter Arten.

–      Die Züchtungstechniken sind mit handwerklichen Mitteln und auf natürliche Weise durchführbar.

–      Das Zuchtmaterial besteht einzig und allein aus samenfesten, offen abblühenden Kultivaren, die sich auf natürliche Weise über Saatgut generativ vermehren lassen.

Heutzutage erhält die traditionelle Züchtung in der biologischen Pflanzenzüchtung eine neue Bedeutung. Besonders in der biologisch-dynamischen Landwirtschaft wird intensiv an dem Konzept einer wesensgemäßen Pflanzenzüchtung gearbeitet, in der eine aufmerksame Naturbeobachtung einen höheren Rang hat als dem subjektiven Züchterwillen entsprechende Zuchtziele.

Man unterscheidet in der traditionellen Pflanzenzüchtung verschiedene Ansätze. Neben der Neuzüchtung von Sorten gibt es die Erhaltungs-, die Verbesserungs- und die evolutive Züchtung.

Variation / Variabilität

Mit genetischer Variation oder Variabilität wird die genotypische Verschiedenartigkeit von Individuen eines Pflanzenbestandes bezeichnet. Die im Hinblick auf bestimmte Merkmale und Eigenschaften beim Phänotyp zu beobachtenden Variationen sind das Ergebnis genetischer Unterschiede des Genotyps und der beeinflussenden Umweltfaktoren. Unter gleichen Umwelt- und Kulturbedingungen kann man deshalb davon aus gehen, dass ein relativ heterogener Pflanzenbestand ebenfalls eine relativ große genetische Variabilität besitzt. Dies ist besonders bei heterozygoten Populationssorten der Fall. Im Gegenzuge kann man bei sehr homogenen Beständen von einer sehr engen genetischen Variabilität aus gehen. So weisen etwa Homozygote, also reinerbige Sorten (Klonsorten, Hybridsorten, Liniensorten) keinerlei oder nur ein sehr geringes Maß an Variation auf.

Je größer die genetische Variabilität umso leichter kann eine Pflanzenpopulation auf sich ändernde Umweltfaktoren und Kulturbedingungen reagieren.

In homozygoten Pflanzenbeständen können nach dieser Definition Krankheiten und Schädlinge leichter Totalausfälle hervorrufen.

Bei autogamen Pflanzen kann Variabilität in der Regel nicht durch Pollentausch zwischen Pflanzen entstehen. Es ist aber z.B. bekannt, dass autogame Pflanzen in „Stresssituationen“ einen erhöhte Tendenz zu Fremdbestäubung entwickeln können. Dies ist eine von den Strategien der autogamen Pflanzen neue Variabilität zu schaffen.

(siehe auch Austausch von genetischen Informationen)

Verbesserungszüchtung Um Verbesserungszüchtung handelt es sich, wenn eine bestehende Sorte (eine Liniensorte oder eine Populationssorte) über mehrere Jahre oder Pflanzengenerationen vom Samenbauer aufmerksam begleitet mit dem Ziel sie im Laufe der Zeit in ihren Eigenschaften zu verbessern.

Dabei bleibt die Sorte als solche bestehen; sie verändert sich aber auch allmählich in ihrem Phänotyp und ihrem Genotyp. Wenn die Verbesserung / Veränderung ein gewisses Maß erreicht, kann dies zunächst in einem Zusatz zum Sortennamen vermerkt werden (wie z.B. bei der Möhre „Nantaise 2“). Entfernt man sich schlussendlich soweit von der Ausgangssorte, dass wenigstens ein Merkmal sich eindeutig verändert hat, kann der Sorte ein neuer Name gegeben werden. So wurde z.B. die Rote Bete „Rote Kugel“ zunächst zur „Rote Kugel 2“ verbessert, bis aus ihr schließlich die neue Sorte „Robuschka“ entstanden ist.

Bei der Verbesserungszüchtung können so auch aus einer ursprünglichen Sorte verschiedene neue Stämme entstehen, wenn nämlich verschiedene Vermehrer an verschiedenen Orten mit ihren eigenen persönlichen Züchtungsmethoden unter den in ihren Betrieben bestehenden spezifischen pedoklimatischen Bedingungen ihren eigenen „Stamm“ dieser Sorte entwickeln.

So gibt es zur Zeit von der traditionellen Winterlauchsorte „Blaugrüner Winter“ mittlerweile zwei neue Stämme, nämlich den Stamm „Husky“ und den Stamm „Avano“. In beiden Fällen war die Verlängerung des Schaftes ein zentrales Verbesserungsziel, da der blaugrüne Winter neben allen seinen guten Eigenschaften doch eher einen kurzen Schaft hatte.

 

Vitalität

Der Begriff Vitalität umfasst bei Kulturpflanzen mehrere Aspekte:

–      zügiges, harmonisches Wachstum

–      ein gut entwickeltes Wurzelsystem

–      eine gute Nährstoffaufnahmefähigkeit und -verwertung („Nährstoffeffizienz“)

–      eine relative Genügsamkeit gegenüber dem Angebot an Wachstumsfaktoren

–      eine gute Beikraut-Toleranz oder sogar -Unterdrückung

–      eine gute Krankheits- und Schädlingsresistenz

–      ein gutes Reifevermögen, das sich z.B. in einem hohen Gehalt an arttypischen Inhaltsstoffen und in einem vollen Aroma ausdrückt

 

Zuchtziele

Pflanzenzüchtung ist ihrer Definition nach immer darauf ausgerichtet durch gelenkte Maßnahmen zu einer Verbesserung der genetischen Eigenschaften von Pflanzen zu kommen. In diesem Sinne können Zuchtziele zwar sehr unterschiedliche Ausrichtungen haben, sie lassen sich aber immer klar definieren und beschreiben.

Je nach dem landwirtschaftlichen System, in dem eine Sorte ihre Verwendung findet, wird die generelle Ausrichtung der Zuchtziele unterschiedlich ausfallen.

Für die traditionelle Pflanzenzüchtung, die eher für eine regionale, kleinflächige und extensive Landwirtschaft arbeitet, können als Beispiele für die relativ große Bandbreite an Züchtungskriterien die folgenden genannt werden:

–      eine allgemeine Vitalität und Resistenz der Nutzpflanzen gegenüber biotischem (Krankheits-, Schädlings-, Beikrautdruck) oder abiotischem Stress (pedoklimatische, also Klima- und Bodenbedingungen)

–      eine gute Anpassungsfähigkeit auf sich kurz- oder langfristig verändernde Kulturbedingungen

–      eine relative Anspruchslosigkeit, was die Wachstumsfaktoren (Licht, Wärme, Wasser, Nährstoffe) angeht; große Kapazität das Angebot an Wachstumsfaktoren auszunutzen

–      eine zügige, harmonische Entwicklung

–      die Ausbildung eines guten Wurzelwerkes

–      ein gutes Reifevermögen

–      eine langfristig sichere Ernteleistung, die nicht unbedingt über einem mittelmäßigen Niveau liegen muss (Erntesicherheit)

–      eine gute Haltbarkeit und Lagerfähigkeit

–      ein hoher Gehalt an ernährungsphysiologisch wertvollen Inhaltsstoffen (Vitamine, Mineralstoffe, Proteine, Kohlenhydrate, sekundäre Pflanzenstoffe u.a.)

–      ein guter Geschmack und ein volles Aroma

Für die großflächige und mechanisierte Landwirtschaft, deren Produkte zumeist über Großhandel und Lebensmittelindustrie vermarktet werden, sind eher ein hoher Ertrag und eine homogene Form entscheidende Zuchtziele. Diese können leichter mit Hybridsorten als mit samenfesten Sorten erreicht werden. Eventuellen Problemen in der späteren Kultur soll dann mit dem Einsatz von Industrie-Düngern, Pflanzenschutzmitteln und zusätzlicher künstlicher Bewässerung begegnet werden.

Zuchtziele können sich in ihrer Ausrichtung auch nach der Frage unterscheiden, ob es sich um eine Weiterentwicklung einer bestehenden Sorte (Verbesserungs- und evolutive Züchtung) oder um die Schaffung einer neuen Sorte handelt (Neuzüchtung).

 

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