Forschung öffnet die Tür zu einer effizienteren Kartoffelzüchtung

Der Traum eines jeden Kartoffelzüchters ist es, alle wünschenswerten Eigenschaften zu vereinen, die Kartoffeln produktiver und widerstandsfähiger gegen die Auswirkungen des Klimawandels, Krankheiten und Schädlinge machen können. Der Prozess ist jedoch aufgrund der komplexen genetischen Ausstattung der Kartoffel und ihrer Auskreuzungsnatur alles andere als einfach. Allerdings hat Ph.D. Kandidat Corentin Clot von der Wageningen University & Research machte eine Reihe von Entdeckungen im Zusammenhang mit der sexuellen Fortpflanzung von Kartoffeln, die die Züchtung dieser wichtigen Nutzpflanze vereinfachen könnten.

Kartoffeln gehören weltweit zu den wichtigsten Grundnahrungsmitteln. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Sorten zu schaffen, die hervorragende Eigenschaften mit Resistenz gegen Krankheiten und Schädlinge verbinden. Doch der Weg zur Entwicklung dieser Sorten ist komplex, wie Corentin Clot erklärt. „Die meisten Kartoffelsorten sind tetraploid, das heißt, sie besitzen vier Kopien jedes Chromosoms, von denen jede ihre eigene Erbinformation enthält.“

Diese genetische Komplexität stellt eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, gewünschte Eigenschaften von Kreuzungseltern an ihre Nachkommen weiterzugeben. Clot sagt: „Um sicherzustellen, dass diese Merkmale als Ganzes an die nächste Generation weitergegeben werden können, müssen die Eltern ‚homozygot‘ sein. Das bedeutet, dass identische Versionen des Gens auf allen Chromosomen vorhanden sind. Dies lässt sich bei diploiden Kartoffeln leicht erreichen.“ eine Runde der Selbstbefruchtung. Wir nennen diesen ersten Schritt Fixierung.“

Selbstverträglichkeit bei Kultursorten

Um eine Fixierung zu ermöglichen, untersuchte Clot das Merkmal der Selbstkompatibilität. Dies ist die seltene Fähigkeit einer diploiden Kartoffel, sich mit ihrem eigenen Pollen zu befruchten. Im ersten Jahr seines Ph.D. Nachforschungen machte Clot eine überraschende und wichtige Entdeckung. Er entdeckte, dass das an der Selbstkompatibilität beteiligte Gen – das sogenannte Sli-Gen – bereits in tetraploiden Kartoffelsorten vorhanden ist.

„In früheren Forschungen war das Sli-Gen nur für die diploide Wildart Solanum chacoense beschrieben worden. Ich habe herausgefunden, dass dieses Gen in modernen Kartoffelsorten weit verbreitet ist. Diese Erkenntnis verschafft uns einen günstigeren Ausgangspunkt für die Züchtung, da wir es nicht tun.“ Man muss sich nicht auf wildes Material verlassen. Dies führt sofort zu einer zweiten Erkenntnis: Wir dachten, dass Selbstkompatibilität eine Seltenheit ist, aber wenn das Sli-Gen allgegenwärtig ist, bedeutet das, dass die Pollenfruchtbarkeit vieler Diploiden ein ernstes Hindernis für den Züchter darstellt. “

Kreuzungen zwischen diploiden und tetraploiden Eltern

Im Vergleich zu diploiden Kartoffeln wurden tetraploide Sorten hinsichtlich vieler Qualitätsmerkmale und hoher marktfähiger Erträge verbessert. Daher suchte Clot nach einer Möglichkeit, tetraploide Sorten mit diploiden Eltern zu kreuzen, die ihre festen Merkmale weitergeben können.

„Normalerweise sind Kreuzungen zwischen Eltern mit ungleichem Ploidieniveau nicht möglich. Wenn Gameten (Fortpflanzungszellen, Anm. d. Red.) gebildet werden, wird das genetische Material halbiert. Der Pollen eines diploiden Elternteils enthält eine Kopie jedes Chromosoms und die Eier davon eine tetraploide Sorte mit zwei Kopien jedes Chromosoms. Die aus einer solchen Kreuzung resultierenden triploiden Embryonen können sich nicht zu Samen entwickeln.“

Wenn jedoch bei der Pollenproduktion die Halbierung der Chromosomenzahl fehlschlägt, produziert ein diploider Elternteil „unreduzierten Pollen“, der die Eier eines Tetraploiden erfolgreich befruchten kann, sagt Clot. „Obwohl dieses Phänomen von Züchtern bereits empirisch ausgenutzt wurde, war nicht klar, wie die Wiederherstellung der Chromosomen während der Gametenbildung genetisch reguliert wurde. Ich habe jetzt die wichtigsten erblichen Faktoren lokalisiert, die zu diesem Merkmal beitragen. Nach der Fixierung ist diese Chromosomenwiederherstellung die zweiter Schritt unserer Innovation.“

Eine „dritte Art“ der Zucht

Die Erkenntnisse von Clot bieten Kartoffelzüchtern einen neuen Ansatz. „Mit unserer zweistufigen Strategie der Fixierung und Wiederherstellung wollen wir die Effizienz einer einzelnen Selbstbefruchtung zur Merkmalsfixierung bei Diploiden nutzen und gleichzeitig den Vitalitätsverlust vermeiden, der nach mehreren Runden der Selbstbefruchtung auftritt. Dieses Phänomen wird als Inzucht bezeichnet.“ Depression ist eine enorme Herausforderung, die Forscher, die an der Hybridzüchtung arbeiten, bewältigen müssen: Echte Hybriden erfordern vollständig homozygote Inzuchteltern.

Mit der zweistufigen Strategie streben wir nur die Fixierung einer Reihe wichtiger Gene an und halten uns von Inzucht fern, sagt Clot. „Die partiellen Inzuchten, die wir im Sinn haben, bieten vielleicht eine realistischere Option. Unser vorgeschlagener Ansatz bietet eine Mittelweglösung, einen ‚dritten Weg‘ zwischen konventioneller Züchtung und dem echten Saat-Hybrid-Züchtungsschema der Kartoffel.“

Aufbauend auf dem Vermächtnis der Kartoffelgenetiker aus Wageningen ist Clot stolz darauf, zu dieser Forschungslinie beizutragen.

„Seit den 1970er Jahren haben jahrzehntelange wertvolle Forschung bei Wageningen Plant Breeding den Grundstein für eine innovative Kartoffelzüchtung gelegt. Ich freue mich, diesem Vermächtnis ein weiteres Kapitel hinzufügen zu können. In meinem Postdoc arbeite ich mit Züchtungsunternehmen zusammen, um meine Ergebnisse zu übersetzen Forschung in praktische Anwendungen. Gemeinsam hoffen wir, einen realistischen und effizienten Weg zu finden, bessere Kartoffelsorten zu züchten.“