Wie die triparentale die Effizienz in der Pflanzenzucht verbessert
Hitze, Dürre und ein veränderter Schädlingsdruck sorgen dafür, dass sich die landwirtschaftlichen Bedingungen schneller ändern, als neue Pflanzensorten entwickelt werden können. Die Zuchtbetriebe müssen den Ernteertrag, die Qualität und die Widerstandsfähigkeit in Einklang bringen, die Kombination von Merkmalen entfernter oder wilder verwandter Pflanzen gestaltet sich jedoch langsam und wird oftmals durch biologische Inkompatibilitäten verhindert. Mit finanzieller Unterstützung durch den Europäischen Innovationsrat (EIC)(öffnet in neuem Fenster) arbeitete Projekt 3P-Tec(öffnet in neuem Fenster) an einem schnelleren Weg: eine Drei-Eltern-Zuchtmethode, die die Kombination von Merkmalen dreier Pflanzen in einem einzigen Kreuzungsvorgang ermöglicht – einschließlich dem Potenzial, Merkmale von wilden verwandten Arten zu integrieren, die über konventionelle Züchtungen oft nur schwer in moderne Pflanzensorten eingeführt werden können.
Triparentale Kreuzungen erweitern die Zuchtmöglichkeiten
Bei der üblichen Zucht wird eine Eizelle von einer Samenzelle befruchtet, wodurch Nachkommen mit zwei Elternteilen entstehen. 3P-Tec basiert auf einem ungewöhnlichen, aber realen biologischen Vorgang, bei dem eine Eizelle mit zwei Spermien verschmilzt. Projektkoordinatorin Rita Gross-Hardt erklärt hierzu: „3PaTec baut auf der grundlegenden Erkenntnis auf, dass eine pflanzliche Eizelle durch Spermien von zwei verschiedenen Vätern befruchtet werden kann, um lebensfähige Nachkommen mit genetischen Beiträgen von einer Mutter und zwei Vätern zu erzeugen.“ Für die Zuchtbetriebe kann dies bedeuten, dass weniger Generationen erforderlich sind, um nützliche Merkmale zusammenzustellen, da zwei väterliche Sätze von Merkmalen gleichzeitig eingeführt werden können. Die Methode zielt auch auf ein häufiges Hindernis bei der Verbesserung von Anbaupflanzen ab: Kreuzungsbarrieren, die zum Absterben von Samen führen, wenn Zuchtbetriebe genetisch weit voneinander entfernte Pflanzen miteinander kreuzen möchten.
Ein genetischer Hebel, der die triparentale Erfolgsrate erhöht
Die Forschenden zeigten über das Kreuzungskonzept hinaus, dass zwei Enzyme, ECS1 und ECS2, die Häufigkeit der Verschmelzung einer Eizelle mit mehr als einem Spermium, ein Prozess, der als Polyspermie bezeichnet wird, beeinflussen. Über eine Screening-Methode mit hohem Durchsatz fand das Team heraus, dass Pflanzen, denen beide Enzyme fehlten, einen dreifachen Anstieg von Polyspermie aufwiesen. Diese höhere Rate steigert die Wahrscheinlichkeit auf die Entstehung triparentaler Nachkommen und macht den Ansatz daher effizienter. Dieser Schlüsselmechanismus und seine Auswirkungen auf die Effizienz der triparentalen Pflanzenverbesserung wurden in einer Peer-Review geprüften Veröffentlichung(öffnet in neuem Fenster) dokumentiert.
Vom Zuckerrüben-Prototyp zu den Pipelines für künftige Anbaupflanzen
Projekt 3P-Tec baut auf früheren, EU-finanzierten Arbeitsergebnissen auf und ist vom Grundsatzbeweis zu einem Einsatz in der Pflanzenzucht fortgeschritten. Ein konkreter Meilenstein ist die Übertragung der Erkenntnisse auf eine wichtige europäische Anbaupflanze. Gross-Hardt: „Ein wichtiger Meilenstein war die erfolgreiche Etablierung einer triparentalen Zuckerrübe als erstem Zuckerrüben-Prototyp.“ Die Demonstration des Ansatzes bei Zuckerrüben zeigt, dass dieser über Modellpflanzen hinaus anwendbar ist, eine wichtige Hürde, bevor Zuchtbetriebe die Methode in großem Maßstab einsetzen können. Das Projekt hatte zudem das Ziel, den Weg für die Verwendung mit weiteren Anbaupflanzen ebnen – darunter Kartoffeln, bei denen die Zuchtbetriebe unter dem wachsenden Druck stehen, klimarobuste Sorten zu entwickeln, die den Ernteertrag nicht beeinträchtigen. Es wurden industrielle Zuchtbetriebe miteinbezogen, um sicherzustellen, dass die Arbeit an den Anforderungen hinsichtlich kommerzieller Zeitpläne, Robustheit und Maßstabsvergrößerung ausgerichtet bleibt.
Ein nicht-transgener Weg zu einer schnelleren, klimagerechten Zucht
3P-Tec beinhaltet laut der Projektkoordinatorin keine gentechnische Veränderung und ist in Übereinstimmung mit den aktuellen EU-Vorschriften an konventionelle Zuchtmethoden anstelle von transgenen Methoden orientiert. Die Skalierung dieses Prozesses könnte den Zuchtbetrieben bei der schnellen Kombination von wichtigen Leistungs- und Resilienzmerkmalen helfen und somit zu stabileren Erträgen in extremen Klimazonen beitragen. Nach der vollständigen Implementierung der Technologie wird sich ihr praktischer Nutzen vor allem in Bereichen zeigen, in denen die konventionelle Züchtung seit Langem mit Schwierigkeiten zu kämpfen hat: Sie ermöglicht die artgrenzenüberschreitende Übertragung von Merkmale ohne jahrelange Fehlkreuzungen, wiederholte Rückkreuzungen und verlorene Vegetationsperioden.
