Wie Gräser Inzucht vermeiden

Mais, Reis, Weizen, Zuckerrohr – die Familie der Gräser umfasst eine Reihe von Arten, die wichtige Nahrungsquellen für den Menschen sind und seit Jahrtausenden gezüchtet und kultiviert werden. Auch Wild- und Nutztiere sind stark auf Gräser als Futter angewiesen: Kühe, Schafe, Pferde sowie Bisons, Hirsche und Zebras ernähren sich überwiegend von Gras. Knapp 70 % der landwirtschaftlich genutzten Fläche der Schweiz sind Grünland.

Allerdings ist die Zucht von Gräsern von Natur aus schwierig. Wie viele andere Blütenpflanzen haben auch Gräser einen Mechanismus entwickelt, der eine Inzucht nach der Selbstbestäubung verhindert. Experten nennen diesen Mechanismus „Selbstinkompatibilität“. Es sorgt dafür, dass keine Pollen von der Pflanze selbst oder von nahe verwandten Individuen in Richtung Eierstock wachsen und die Eizelle befruchten können. Dadurch wird Inzucht mit all ihren Folgen verhindert.

Für die Pflanzenzüchtung kann die Selbstunverträglichkeit ein Nachteil sein. Es erschwert nicht nur die Entwicklung homozygoter Linien, sondern kann auch die Bestäubung zweier nahe verwandter Individuen beeinträchtigen. Dadurch wird es erschwert, durch Kreuzung Züchtungsfortschritte für gewünschte Pflanzeneigenschaften zu erzielen. Um verschiedene Pflanzenzüchtungsstrategien nutzen zu können, ist eine genaue Kenntnis der Selbstinkompatibilität unerlässlich.

Selbstunverträglichkeitsgene in Gräsern erstmals entschlüsselt

Über die genetische Zusammensetzung der Selbstinkompatibilität bei Gräsern ist wenig bekannt. In den 1960er Jahren entdeckten Pflanzenwissenschaftler, dass die Selbstinkompatibilität von zwei getrennten Genomregionen (Loci) gesteuert wird. Doch mit den damals verfügbaren Methoden konnten die Forscher nicht feststellen, welche Gene tatsächlich beteiligt sind.

Nun ist es Forschern um Bruno Studer, Professor für Molekulare Pflanzenzüchtung, erstmals gelungen, die für die Selbstinkompatibilität verantwortlichen Gene zu identifizieren und ihre Nukleinsäuresequenz zu bestimmen. Dies taten sie bei Deutschem Weidelgras (Lolium perenne L.), einer der wichtigsten Futter- und Rasengräser der Welt.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Molekularbiologie und Evolution.

Studer widmet sich diesem Thema seit mehr als 15 Jahren zusammen mit Mitarbeitern aus Dänemark, Wales und den USA. 2006 fand er Gene, die den Samenertrag in Futtergräsern reduzieren. Er suchte das Gegenteil: Gene, die den Samenertrag steigern. Es stellte sich später heraus, dass die Gene, die er identifizierte, eine Rolle bei der Selbstinkompatibilität spielten. 2017 grenzten Studer und sein Team die beiden Loci auf wenige potenzielle Kandidatengene ein. Jetzt haben sie eine genaue Beschreibung der drei Gene geliefert, die effektiv die Loci bilden und die Selbstinkompatibilität kontrollieren.

„Dieser Durchbruch wurde durch technologische Fortschritte in der Genomanalyse ermöglicht. Erst in den letzten Jahren ist es damit möglich, das gesamte Genom eines einzelnen Organismus effizient zu sequenzieren“, sagt er.

Diese Erkenntnisse eröffnen neue Züchtungsmöglichkeiten nicht nur für Futtergräser, sondern auch für wichtige selbstbefruchtende Graspflanzen für den menschlichen Verzehr wie Reis oder Gerste. Sind die Gene für die Selbstinkompatibilität bekannt, können sie gezielt manipuliert werden. Ihre Abschaltung ermöglicht die Entwicklung von Inzuchtlinien. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Gene in das Genom von Gräsern einzufügen, die ihre Selbstunverträglichkeit verloren haben, um genetisch unterschiedliche Populationen zu züchten. Für Studer ist klar: «Das Wissen um diese Gene hat uns eine wichtige Grundlage gegeben, um diesen Mechanismus zu kontrollieren und für die Züchtung zu nutzen.»

Zusammenspiel zweier entfernter Loci

Im Wesentlichen beruht die Selbstinkompatibilität auf dem Zusammenspiel der beiden Loci – dem S-Locus und dem Z-Locus – die sich auf unterschiedlichen Chromosomen befinden.

Die Gene sind der Bauplan für drei verschiedene Proteine, die eine Art Schlüssel-Schloss-Mechanismus bilden, der erkennt, ob der Pollen, der auf der Narbe gelandet ist, genetisch ähnlich oder nicht verwandt ist. Dadurch wird ein Signal ausgelöst, das den Befruchtungsprozess entweder abbricht oder bis zum Ende fortsetzt.

Studer und sein Team untersuchen derzeit die Strukturen dieser Proteine ​​und wie sie interagieren, um zwischen fremden Pollen und pflanzeneigenen Pollen zu unterscheiden. Dazu verwenden sie spezielle Methoden der künstlichen Intelligenz, um die Struktur der entsprechenden Proteine ​​anhand der Gensequenz zu modellieren, sowie Modelle, die die Wechselwirkungen zwischen diesen Molekülen vorhersagen.

Ein einzigartiger Selbstinkompatibilitätsmechanismus

Darüber hinaus haben die Forscher untersucht, wie sich in der Familie der Gräser eine auf zwei Loci basierende Selbstinkompatibilität entwickelt haben könnte, da alle anderen Mechanismen, die aus anderen Pflanzenfamilien bekannt sind, nur auf einem Locus basieren. Es ist wahrscheinlich, dass sich in der Evolutionsgeschichte der Gräser zunächst der Z-Lokus verdoppelte und die Kopie dann zahlreiche Mutationen durchlief, die zu einer Diversifizierung führten.

„Wir haben jetzt die beiden Loci in sehr vielen Graspflanzen sequenziert. Was wir herausgefunden haben, ist, dass der S-Locus tendenziell eine geringere Sequenzvariation aufweist und sich immer noch diversifiziert, während sich der Z-Locus nicht so stark ändert. Daraus wir schlussfolgern, dass der Z-Lokus evolutionär älter sein könnte», erklärt Studer.

Durch die Verfolgung der Phylogenie der Gräser haben die Forscher auch erfahren, wann die Locus-Duplikation auftrat und wann die Arten voneinander abwichen. Darüber hinaus zeigte der phylogenetische Baum, welche Gräser keine Locus-Duplikation erfahren haben und welche Arten ihre Selbstinkompatibilität verloren haben, beispielsweise durch Mutationen.

Aber was ist der evolutionäre Vorteil der Selbstinkompatibilität basierend auf zwei Loci? „Auf den ersten Blick gehen wir davon aus, dass es den Pflanzen der Gräserfamilie viel mehr Möglichkeiten und Flexibilität eröffnet hat, ihre eigenen Pollen zu erkennen“, sagt Studer. Das könnte wichtig für die Gräser gewesen sein, deren 16.000 Arten auf allen Kontinenten verbreitet sind und damit zu den größten und erfolgreichsten Pflanzenfamilien der Welt gehören.