Pflanzenzüchtung Tomaten-Hybride sind Klon von Mutter und Vater gleichzeitig

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Züchter kombinieren zwei Pflanzen, um deren vorteilhafte Eigenschaften in einer neuen Generation zu vereinen. Normalerweise steuert jeder Elternteil 50 Prozent des genetischen Materials bei. Im Labor haben Forscher nun aber mit klonalen Pflanzenzellen Tomaten-Hybride erzeugt, in denen 100 Prozent der Gene von beiden Elternteilen vereint sind. Dies könnte es erleichtern, robustere Kulturpflanzen zu züchten.

In der Landwirtschaft haben die heutigen Feldfrüchte kaum noch etwas mit ihren natürlichen Vorfahren gemein. Jahrhunderte bis Jahrtausende der Kultivierung haben aus mickrigen Pflänzchen ertragreiche Gewächse gemacht. Als Züchtungsstrategie besonders beliebt hat sich das Hybridsaatgut erwiesen, bei der zwei verschiedene Elternlinien mit spezifischen vorteilhaften Eigenschaften kombiniert werden. Es bringt robuste Pflanzen mit erhöhter Produktivität hervor, und wird von Landwirten seit über hundert Jahren genutzt.

Die gesteigerte Leistung von Hybriden ist allgemein als Hybridvitalität oder Heterosis bekannt und wurde bei vielen verschiedenen Pflanzen- und Tierarten beobachtet. Allerdings bleibt der Heterosis-Effekt in den nachfolgenden Generationen dieser Hybriden aufgrund der Segregation der genetischen Information nicht mehr bestehen. Daher muss jedes Jahr neues Hybridsaatgut produziert werden, ein arbeitsintensives und teures Unterfangen, das sich nicht für jede Kulturpflanze eignet.

Mitose statt Meiose – genetischer Klon beider Elternteile

Wie können also die vorteilhaften Eigenschaften, die in den Genen von Hybridpflanzen kodiert sind, auf die nächste Generation übertragen werden? Normalerweise wird das genetische Material während der Meiose neu gemischt. Diese Neuordnung durch zufällige Trennung der Chromosomen und meiotische Rekombination ist wichtig für die Entstehung neuer und vorteilhafter genetischer Konfigurationen in natürlichen Populationen sowie bei der Züchtung. In der Pflanzenzüchtung möchte man jedoch eine einmal gefundene Kombination beibehalten und nicht durch erneute Vermischung der Gene wieder verlieren. Ziel ist also ein System, das die Meiose umgeht und zu Geschlechtszellen führt, die genetisch mit den Eltern identisch sind.

In einer Studie unter der Leitung von Charles Underwood vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung (MPI PZ) in Köln haben Forschende nun ein System etabliert, in dem sie die Meiose durch Mitose ersetzen, also durch eine einfache Zellteilung. Die Studie führten sie in der beliebtesten Gemüsepflanze durch: der Kulturtomate. Im so genannten Mi-Me-System (Mitose statt Meiose) imitiert die Zellteilung eine Mitose, umgeht so die genetische Rekombination und Segregation und führt zu Pflanzen, die die vollständige genetische Information beider Elternteile enthalten. Möglich ist dies durch Befruchtung einer klonalen Eizelle eines Elternteils durch ein klonales Spermium eines anderen Elternteils.

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Genomdesign von Tomate auf Kartoffel übertragen

Das Konzept des Mi-Me-Systems wurde zuvor von Raphaël Mercier, Direktor am MPI PZ, in Arabidopsis und Reis entwickelt. Ein herausragender Aspekt der neuen Studie ist, dass die Forschenden zum ersten Mal die klonalen Geschlechtszellen nutzen, um Nachkommen durch einen Prozess zu erzeugen, den sie „polyploides Genomdesign“ nennen.

Normalerweise haben Geschlechtszellen einen halbierten Chromosomensatz (beim Menschen werden 46 Chromosomen auf 23 reduziert; bei der Tomate werden 24 Chromosomen auf 12 reduziert). Die Mi-Me-Geschlechtszellen dagegen sind klonal und daher findet diese Halbierung des Chromosomensatzes nicht statt. Underwood und sein Team führten Kreuzungen durch, bei denen die klonale Eizelle einer Mi-Me-Tomatenpflanze mit einem klonalen Spermium einer anderen Mi-Me-Tomatenpflanze befruchtet wurde. Die daraus resultierenden Tomatenpflanzen enthielten das gesamte genetische Repertoire beider Elternteile – und bestehen somit aus 48 Chromosomen. Somit sind alle vorteilhaften Eigenschaften beider Hybrid-Elternteile in einer neuen Tomatenpflanze vereint – und das mit Absicht.

Aufgrund der engen genetischen Verwandtschaft zwischen Tomaten und Kartoffeln geht das Team um Underwood davon aus, dass sich das in dieser Studie beschriebene System problemlos auf die Kartoffel übertragen lässt. Die Kartoffel gilt neben Mais, Weizen und Reis als eine der wichtigsten Kulturpflanzen der Welt, und möglicherweise lässt sich das System auch auf andere Kulturpflanzenarten anwenden.

Robuste Sorten durch klonale Saatguterzeugung

Angesichts steigender Bevölkerungszahlen und klimatischer Veränderungen ist die Entwicklung ertragsstarker, nachhaltiger und stabiler Sorten entscheidend für die langfristige Sicherung der Welternährung. Daher ist es entscheidend, Pflanzen zu züchten, die eine erhöhte Krankheitsresistenz und Stresstoleranz aufweisen. Die Entwicklung neuer Ansätze für Techniken der Pflanzenvermehrung ist ein wichtiger Baustein dabei.

Das Mi-Me-System und seine Anwendung in der polyploiden Genomforschung könnten ein vielversprechender Weg sein, um die heutigen Herausforderungen in der Landwirtschaft zu bewältigen. „Wir sind begeistert von der Möglichkeit, klonale Geschlechtszellen für das polyploide Genomdesign zu nutzen. Wir sind überzeugt, dass dies den Züchter:innen erlauben wird, weitere Heterosis – die progressive Heterosis, die in Polyploiden zu finden ist – auf kontrollierte Weise zu erschließen“, sagt Underwood. Das Mi-Me-System für Tomaten könnte in Zukunft auch als Bestandteil der klonalen Saatguterzeugung eingesetzt werden, der so genannten synthetischen Apomixis, wie die Forscher erklären. Dies könne zu massiven Kosteneinsparungen bei der Produktion von Hybridsaatgut führen.

Originalpubliaktion: Wang, Y., Fuentes, R.R., van Rengs, W.M.J. et al.: Harnessing clonal gametes in hybrid crops to engineer polyploid genomes, Nat Genet (2024); DOI: 10.1038/s41588-024-01750-6

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