Die markergestützte Selektion (engl.: marker-assisted selection; MAS) ist eine Methode, die verspricht, auch Pflanzen mit genetisch komplexen Eigenschaften in relativ kurzer Zeit zu entwickeln.
Anders als beim herkömmlichen Kreuzungsprozess ist die MAS nicht auf den Phänotyp, also das Erscheinungsbild der Pflanze angewiesen, sondern untersucht den Genotyp, das Erbgut. So können bereits vor der Kreuzung die geeigneten Eltern ausgewählt und bald nach der Kreuzung die jungen Keimlinge mit den gewünschten Eigenschaften bestimmt werden. Wird die MAS bereits für die Auswahl der Elternpflanzen genutzt, spricht man auch von Präzisionszucht oder SMART Breeding (engl.: Selection with Markers and Advanced Reproductive Technologies).
Gentechnische Grundlagen der markergestützten Selektion
Voraussetzung dafür, dass Züchter die markergestützte Selektion nutzen können, ist Wissen über die Gene, die den gewünschten Pflanzeneigenschaften zugrunde liegen. In Einzelfällen ist aus Sequenzierungsprojekten die DNS-Struktur der entsprechenden Gene bekannt. Häufiger jedoch beruht die Selektion auf anderen Bereichen des Erbguts, die in der Nähe des jeweiligen Zielgens liegen und mit hoher Wahrscheinlichkeit gemeinsam mit diesem vererbt werden – so genannten molekularen Markern.
Molekulare Marker in der Pflanzenzüchtung
Grundsätzlich gibt es verschiedene Typen molekularer Marker:
- Der Restriktions-Fragmentlängen-Polymorphismus (RFLP) unterscheidet Organismen danach, in Abschnitte welcher Länge das Enzym Restriktionsendonuklease ihre DNS zerschneidet.
- Die zufällig vervielfältigte polymorphe DNS (RAPD) entsteht bei einem bestimmten Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und erlaubt die Unterscheidung von Organismen, deren Erbgut im Detail unbekannt ist.
- Der Vervielfältigte-Fragmentlängen-Polymorphismus (AFLP) ist die Grundlage des Verfahrens, mit dem ein so genannter genetischer Fingerabdruck erstellt wird.
- Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) sind erfolgreiche Punktmutationen: Variationen von einzelnen Basenpaaren in einem DNS-Strang, die sich in einem Teil der Population einer Art durchgesetzt haben.
- Mikrosatelliten sind kurze DNS-Abschnitte, die sich – meist am selben Ort im Genom – bis zu hundert Mal wiederholen. Für die markergestützte Selektion setzen Forscher bislang bevorzugt auf diesen Markertyp.
Jeder Markertyp hat unterschiedliche Vor- und Nachteile. Gegenüber dem tatsächlichen Gen haben beispielsweise Mikrosatelliten den Vorteil, dass sie sich leichter und verlässlicher nachweisen lassen – und genau darum geht es schließlich bei der Selektion. Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler daran, dichte Markerkarten von den Genomen der landwirtschaftlich wichtigen Pflanzenarten zu erstellen.
Verbindung zwischen Marker und Gen
Sind Marker und Gen bekannt, müssen die Pflanzenforscher sicherstellen, dass beide auch tatsächlich gemeinsam vererbt werden. Da bei Pflanzen das Erbgut mindestens als doppelter Chromosomensatz vorliegt, ist zudem noch wichtig, welche Ausprägung (welches Allel) des Markers die gewünschte Ausprägung des Gens bedeutet – denn die kann sich zwischen den Chromosomensätzen unterscheiden.
Es gibt drei mögliche Beziehungen zwischen Marker und Gen:
- Der Marker befindet sich innerhalb des gesuchten Gens. Für die markergestützte Selektion ein Idealfall, weil dann mit Gewissheit von der Präsenz des Markers auf die Präsenz des Zielgens geschlossen werden kann. In diesem Fall spricht man auch von Gen gestützter Selektion.
- Befindet sich der Marker im Kopplungsungleichgewicht mit dem Gen, wird er häufiger mit diesem gemeinsam vererbt, als statistisch zu erwarten wäre. Das ist meist dann der Fall, wenn Marker und Gen physikalisch nah beieinander liegen oder eine Züchtungslinie in den letzten Generationen gekreuzt wurde. Das Kopplungsungleichgewicht ist der Normalfall bei der markergestützten Selektion.
- Ein Kopplungsgleichgewicht, also das Fehlen einer klaren Verbindung zwischen Marker und Gen, ist der ungünstigste Fall für die markergestützte Selektion.
Nachweis der erfolgreichen Kreuzung
Haben Züchter mittels Vorwissen oder MAS zwei geeignete Eltern ausgesucht, die Tochterpflanzen mit der gewünschten Eigenschaftenkombination hervor bringen können, gilt es, diese Tochterpflanzen zu identifizieren. Dazu genügt eine Gewebeprobe der Keimlinge, die in einer einfachen biochemischen Reaktion darauf getestet wird, ob alle relevanten Marker vorhanden sind – lange bevor diese Merkmale an der Pflanze sichtbar würden.
Anwendungsgebiete der markergestützten Selektion
Die markergestützte Selektion hilft Züchtern dabei, zwei Linien gezielt zu kreuzen und Hybride zu entwickeln. Vor allem aber ermöglicht sie es, Zielgene einer wenig produktiven Linie in eine produktive Linie einzuführen, der dieses Gen fehlt.
Obwohl die markergestützte Selektion inzwischen einen festen Platz in der Pflanzenzüchtung hat, haben sich die in sie gesetzten hohen Erwartungen in der Praxis noch nicht erfüllt. Die meisten Experten führen das darauf zurück, dass die Kenntnisse über die genetischen Zusammenhänge komplexer Eigenschaften wie der Dürretoleranz oft noch nicht ausreichen. Mit der fortschreitenden Sequenzierung wichtiger Pflanzengenome erwarten die Forscher mehr konkrete Ergebnisse durch die Züchter.