Wie werden Pflanzen gezüchtet?
Von der ersten Selektion in der Jungsteinzeit bis zum Genome Editing: Die Pflanzenzüchtung hat viel zur Entwicklung der Landwirtschaft beigetragen.
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Bereits seit vielen Tausend Jahren versuchen Menschen, Pflanzen so zu verändern, dass sie ihnen mehr Nutzen bringen. Anfangs waren dies noch sehr einfache Methoden und es dauerte oft Jahrzehnte oder länger, bis sie zum gewünschten Erfolg führten. Im Laufe der Zeit wuchs das Wissen über die pflanzliche Genetik jedoch an, sodass die Verfahren immer präziser und effizienter wurden.
Erste Bemühungen des Menschen, die man unter den Begriff "Züchtung" fassen kann, gehen auf die Zeit um 10.000 vor Christus zurück. Damals begannen Bäuerinnen und Bauern unter den Pflanzen, die sie anbauten, genau diejenigen auszusuchen, die ihnen besonders ertragreich, kräftig oder geschmackvoll erschienen. Mit den Samen dieser Pflanzen bestellten sie dann im kommenden Jahr ihre Felder. Mit dieser Methode, die sich Jahr für Jahr wiederholte, reicherten sich über die Jahrhunderte immer mehr nützliche Eigenschaften in den Pflanzen an. Unerwünschte Merkmale wurden hingegen verdrängt.
Diese bewusste Auslese von Pflanzen anhand äußerlicher Merkmale nennt man heute Selektionszüchtung. Aus ihr sind zum Beispiel schon vor vielen Jahrtausenden Emmer, Dinkel sowie Hart- und Weichweizen hervorgegangen.
Gezieltes Kreuzen: Mendel sei Dank
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Über viele Jahrtausende war die Selektion die einzige Möglichkeit der züchterischen Einflussnahme durch den Menschen. Dies änderte sich jedoch Mitte des 19. Jahrhunderts, als der Mönch und Wissenschaftler Gregor Mendel bei Kreuzungsversuchen mit Erbsen bahnbrechende Entdeckungen machte. Eine wesentliche Beobachtung Mendels war: Wenn sich zwei artverwandte Pflanzen auf geschlechtliche Weise, das heißt über Bestäubung, miteinander kreuzen, wird von jedem Elternteil ein Teil des Erbguts weitergegeben und im Erbgut der Nachkommen – nach gewissen Regeln – neu kombiniert.
Diese Erkenntnis revolutionierte die Züchtung, denn man musste nicht mehr warten, bis zufällige Kreuzungen (zuvor selektierter Pflanzen) gewünschte Resultate erbrachten. Von nun an konnte man die Eigenschaften zweier Pflanzen durch eine gezielte Kreuzung im Erbgut der Nachkommen vereinen. Diese Form der Züchtung, die man Kreuzungszüchtung nennt, bildet auch heute noch die Grundlage für die Pflanzenzüchtung. Sie wurde über Jahrzehnte stetig erweitert um zahlreiche weitere Methoden wie Hybridzüchtung, Mutationszüchtung und Genomforschung.
Wie durch Kreuzungszüchtung neue Pflanzen entstehen
Bei der klassischen Kreuzungszüchtung gehen die Züchterinnen und Züchter in der Regel wie folgt vor: Zuerst suchen sie sich unter einer Vielzahl von Pflanzen einer Art diejenige aus, die eine aus ihrer Sicht gewünschte Eigenschaft besitzt - beispielsweise eine besondere Widerstandskraft gegenüber einer bedeutenden Pflanzenkrankheit. Diese besondere Eigenschaft möchten die Züchterinnen und Züchtern nun gerne in eine bestehende Sorte einkreuzen, die sich in den vergangenen Jahren zum Beispiel durch eine besonders hohe Ertragsleistung ausgezeichnet hat.
Das Ziel ist es also, eine Pflanzensorte zu erschaffen, die beide Eigenschaften dauerhaft in ihrem Erbgut vereint. Dafür bestäuben die Züchterinnen und Züchter die Pflanzen der einen Sorte mit dem Pollen der anderen. Und zwar unter kontrollierten Bedingungen, um zufällig auftretende, nicht erwünschte Bestäubungen zu vermeiden.
Setzen sich in der nächsten Pflanzengeneration beide Eigenschaften – also hoher Ertrag und Widerstandskraft gegen die Krankheit – durch, hätten die Züchterinnen und Züchter eine neue Pflanzensorte erschaffen. Dies dauert in der Praxis allerdings bis zu 15 Jahren – manchmal auch länger. Denn unter den Nachkommen entstehen immer wieder auch solche, die die gewünschten Eigenschaften nicht aufweisen, oder neben den gewünschten auch unerwünschte Merkmale haben. Erst über einen aufwändigen Prozess des Rückkreuzens und Selektierens kommt man schließlich zum gewünschten Ergebnis. Schließlich dauert es noch einige Jahre, bis die neue Pflanze auch als Sorte zugelassen ist (mehr dazu weiter unten).
Höhere Erträge dank Hybridzüchtung
Die Hybridzüchtung ist eine Sonderform der Kreuzungszüchtung, bei der man sich den sogenannten Heterosiseffekt zunutze macht. Dazu kommt es, wenn zwei reinerbige Elternlinien miteinander gekreuzt werden, die genetisch ein sehr unterschiedliches Repertoire haben. Besonders reinerbige Elternlinien erhält man, indem man diese Pflanzen sich immer wieder selbst befruchten lässt. Das heißt, die Züchterinnen und Züchter verhindern, dass fremder Pollen auf die Narbe dieser Pflanzen gerät – zum Beispiel, indem sie Tüten über die Blüten stülpen.
Hybridsorten
Hybridsorten sind heute zum Beispiel bei Zuckerrüben, Mais, Raps oder Roggen sowie bei zahlreichen Gemüsearten weit verbreitet. Bei Gemüse liegt der Anteil der Hybridsorten bei etwa 70 Prozent.
Durch diese permanente Selbstbefruchtung entstehen mit der Zeit sogenannte Inzuchtlinien, die durch eine besondere Reinerbigkeit gekennzeichnet sind. Kreuzt man diese reinen Elternlinien später miteinander, kommt es bei den Nachkommen – den Hybriden – zum Heterosiseffekt. Das heißt, aus dem Saatgut dieser Hybridsorten, erwachsen Pflanzen, die sehr einheitlich und deutlich leistungsstärker sind als solche aus nicht-hybridem Saatgut. Meistens äußert sich das in höheren Ernteerträgen.
Daher sind Hybridsorten bei Landwirtinnen und Gärtnern sehr beliebt. Es gibt aber auch Nachteile: Der Heterosiseffekt beschränkt sich nämlich allein auf die erste Nachkommen-Generation. Landwirtinnen und Landwirte müssen daher das Hybridsaatgut immer wieder neu beim Zuchtunternehmen kaufen. Eigene Nachzucht ist nicht möglich.
Tiefere Einblicke ins Erbgut
Besonders in den vergangenen 40 bis 50 Jahren hat sich in der Züchtungsforschung viel getan. Lange Zeit konnten sich Züchterinnen und Züchter bei der Selektion lediglich auf die äußerlich sichtbaren Eigenschaften – den sogenannten Phänotyp – der Pflanze verlassen. Dank moderner Techniken ist es der Züchtung heute jedoch möglich, die in der DNA verborgenen Erbinformationen der Pflanze – den sogenannten Genotyp – zu entschlüsseln und das Wissen darüber gezielt für die Züchtung zu nutzen.
So werden heute zum Beispiel vielfach molekulare Marker als diagnostische Werkzeuge genutzt. Mit ihnen können Züchterinnen und Züchter mittels Gentests schnell und einfach überprüfen, ob gewisse Gene oder Gengruppen nach der Kreuzung zweier Pflanzen tatsächlich in gewünschter Weise in das Erbgut der Nachkommen übergegangen sind. Dafür reichen bereits Gewebeproben von Keimlingen. Man muss also nicht mehr warten, bis die Pflanzen ausgewachsen sind, um die erforderliche Auslese vornehmen zu können. Das beschleunigt den Züchtungsprozess erheblich.
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Genetische Vielfalt: die Basis allen Züchtens
Je größer die Auswahl an genetisch unterschiedlichen Pflanzen einer Art ist, umso wahrscheinlicher ist es, dass Züchterinnen und Züchter eine Pflanze finden, die die gewünschte Eigenschaft hat. Auf der Suche nach solchen Pflanzen greifen sie häufig auf Wildsorten und alte Landsorten zurück, die in sogenannten Genbanken lagern. Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Sorten beruhen auf Erbgutveränderungen – auch Mutationen genannt –, die zufällig und auf ganz natürliche Weise entstehen.
Es gibt aber auch Möglichkeiten, Mutationen auf künstliche Weise zu erzeugen. Zum Beispiel werden bei der sogenannten Mutationszüchtung Pflanzen bewusst einer Strahlungsquelle oder Chemikalie ausgesetzt, um auf diese Weise Mutationen auszulösen.
Sowohl bei der natürlichen Mutation als auch bei der Mutationszüchtung entstehen die Veränderungen im Erbgut unkontrolliert. Das heißt, die Züchterinnen und Züchter haben keinerlei Einfluss darauf, was sich verändert. Sie müssen anschließend über den Anbau der Pflanzen herausfinden, welche äußeren Merkmale sich aus der Erbgutveränderung ergeben. Nur dann, wenn sich aus den Mutationen Pflanzenvarianten ergeben, die sich als nützlich erweisen, werden diese für die weitere züchterische Arbeit verwendet. Dies herauszufinden kann jedoch Jahre in Anspruch nehmen.
Sehr viel schneller geht es mit moderneren Züchtungsformen wie Gentechnik und Genome Editing. Diese Verfahren ermöglichen es, Gene im Erbgut einer Pflanze, die für bestimmte Eigenschaften zuständig sind, gezielt zu entfernen, auszutauschen oder hinzuzufügen. Dabei arbeitet das vergleichsweise neue Genome Editing sehr viel präziser als die klassische Gentechnik. Bislang ist das Genome Editing in Deutschland noch verboten. Es zeichnet sich jedoch ab, dass solche Verfahren bald unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen werden.
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Der lange Weg zur zugelassenen Sorte
Züchterinnen und Züchter brauchen sehr viel Geduld. So kann es bis zu 15 Jahre dauern, bis sie eine neue Pflanze entwickelt haben. Doch selbst, wenn der reine Züchtungsprozess abgeschlossen ist, darf die Pflanze noch nicht direkt vermarktet und von den Landwirtinnen und Landwirten angebaut werden. Denn zuerst muss die neu entwickelte Pflanze noch als Sorte zugelassen werden.
Dafür ist in Deutschland das Bundessortenamt zuständig. Es überprüft unter anderem, ob die Pflanze bessere Anbau- und Verwertungseigenschaften hat als bereits zugelassene Sorten. Diese Prüfung dauert in der Regel vier bis fünf Jahre. Von den vielen jährlich zur Prüfung angemeldeten Sorten wird nur ein Bruchteil zugelassen und in die Sortenliste eingetragen. Die Sortenzulassung wird für zehn (bei Weinreben und Obst für 20) Jahre erteilt und kann nach Ablauf dieser Zeit verlängert werden.
Wer züchtet in Deutschland?
Mendel veröffentlichte die Erkenntnisse seiner Vererbungslehre bereits 1866. Von da ab dauerte es allerdings noch ein knappes halbes Jahrhundert, bis man deren Bedeutung für die Landwirtschaft voll und ganz erkannte. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts begannen zahlreiche landwirtschaftliche Gutsbesitzer, sich per Kreuzungszüchtung auf die Verbesserung einzelner Kulturpflanzenarten zu spezialisieren. In der Folge entwickelten sich erste Verbandsstrukturen und wissenschaftliche Einrichtungen begannen damit, intensiv an der Weiterentwicklung züchterischer Methoden zu arbeiten. Auf diese Weise wurde zum Beispiel 1920 die Hybridzüchtung und 1930 die Mutationszüchtung entwickelt.
Laut dem Bundesverband Deutscher Pflanzenzüchter befassen sich in Deutschland heute rund 130 Unternehmen mit der Züchtung und dem Vertrieb landwirtschaftlicher und gartenbaulicher Kulturarten. Davon betreiben 58 eigene Zuchtprogramme und forschen an mehreren Kulturarten.
Letzte Aktualisierung: 23. Februar 2024
Weitere Informationen
Pflanzenforschung.de: Was ist Pflanzenzüchtung?
Bundesverband Deutscher Pflanzenzüchter (BDP): Pflanzenzüchtung
