Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in Nutzpflanzen.

Gebhardt, Christiane | Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in ...
Tätigkeitsbericht 2004
Pflanzenforschung
Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in Nutzpflanzen.
Gebhardt, Christiane
Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung, Köln
Abteilung - Pflanzenzüchtung und Genetik
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Genetische Variabilität und Umweltfaktoren bestimmen die Erscheinungsform von Individuen einer Art.
Die Möglichkeiten, genetische Variabilität auf der Ebene der DNA zu identifizieren, die Verfügbarkeit
von teilweiser oder sogar vollständiger DNA-Sequenzinformation verschiedenster Organismen und das
Wissen um die Funktionsweise vieler Gene ermöglichen es, die molekularen Grundlagen komplexer
Eigenschaften von Mensch, Tier oder Pflanze zu erforschen. Das Wissen um die molekularen Grundlagen
komplexer Eigenschaften von Nutzpflanzen kann zur effizienten Auslese neuer, an die menschlichen
Bedürfnisse besser angepasster Sorten beitragen. In einem Pilotexperiment wurde eine Beziehung
zwischen der Widerstandsfähigkeit von Kartoffelsorten im Feld gegen die Kraut- und Knollenfäule und
DNA-Varianten in einem bestimmten Abschnitt des Erbguts der Kartoffel (Solanum tuberosum)
gefunden.
Abstract
Genetic variability and environmental factors determine the phenotype of the individuals of the same
species. The possibilities to identify genetic variability at the DNA level, the availability of partial or
even complete DNA sequence information of a multitude of organisms and the knowledge of gene function
make it possible to explore the molecular basis of complex traits of humans, animals or plants. Knowledge
on the molecular basis of complex traits of crop plants can contribute to the efficient selection of new
varieties that are better adapted to human needs. In a pilot experiment, an association was found between
field resistance of potato varieties to the late blight disease and DNA variants in a particular segment
of the genome of potato (Solanum tuberosum).Christiane Gebhardt
Aus naturwissenschaftlicher Sicht sind die Erscheinungsformen des Lebendigen, der Phänotyp, das
Ergebnis der Wirkung von genetischen Faktoren einerseits und von Umwelteinflüssen andererseits.
Obwohl alle Individuen derselben Art die gleiche genetische Ausstattung, das gleiche Erbgut, besitzen,
sind sie doch genetisch nicht identisch. Das Erbgut jedes mehrzelligen Organismus enthält Zehntausende
von Genen. In einer natürlichen Population von Individuen derselben Art kann jedes einzelne dieser Gene
in mehreren, funktionstüchtigen Varianten (Allelen) in unterschiedlicher Häufigkeit vorkommen. Diese
genetische Variabilität ist das Ergebnis zufälliger Mutationsereignisse im Verlauf der Evolution der
Arten, die für ihre Träger keinen selektiven Nachteil bedeuteten, daher weitervererbt wurden und somit
in der Population erhalten geblieben sind. Die genetische Einzigartigkeit des Individuums, der Genotyp,
kommt durch die zahllosen Kombinationsmöglichkeiten aller im Erbgut vorhandenen Gen-Varianten
zustande, die in jeder Generation nach den Vererbungsregeln neu kombiniert werden. Die zeitliche und
räumliche Ausprägung dieser individuellen "Gen-Mixtur" wird von Umweltfaktoren unterschiedlich
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
www.mpg.de
7691
Tätigkeitsbericht 2004
Gebhardt, Christiane | Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in ...
beeinflusst. Dieser Sachverhalt wird deutlich, wenn man eine zufällige Gruppe von Menschen (Homo
sapiens) betrachtet, deren individuelle Verschiedenheit bei prinzipiell gleichem Bauplan nicht größer
sein könnte.
Während die molekulare Entwicklungsgenetik die Funktionsweise der Gene von Tieren, Pflanzen oder
Mikroorganismen und deren Abhängigkeit von Umweltfaktoren untersucht, beschäftigt sich die
quantitative Genetik bzw. die Populationsgenetik mit der Frage, welchen Anteil genetische Faktoren an
der Ausprägung des Phänotyps haben, wie viele und welche Gene bestimmte, in der Regel komplexe
Eigenschaften kontrollieren und welchen Einfluss Varianten dieser Gene auf diese Eigenschaften in einer
Population von Individuen derselben Art haben. Der Einfluss der Umwelt auf den Phänotyp wird hierbei
mithilfe statistischer Methoden soweit wie möglich ausgeschaltet. Die experimentellen Möglichkeiten,
genetische Variabilität auf der Ebene der DNA (Desoxy-Ribonucleic Acid) zu identifizieren (Abb.1),
die Verfügbarkeit der DNA-Sequenzinformation von Millionen von Genen verschiedenster Organismen
bzw. von vollständigen Genomen und das Wissen um die Funktionsweise vieler Gene machen es heute
erstmals möglich, die Frage nach den molekularen Grundlagen komplexer Eigenschaften von Mensch,
Tier oder Pflanze mit Aussicht auf Erfolg anzugehen.
Genetische Variabilität ist die Grundlage der Züchtung von Nutzpflanzen und Nutztieren durch den
Menschen. Durch Kreuzung von Elternpaaren mit unterschiedlichen Eigenschaften wird eine breite
Palette von neuen "Gen-Mixturen" in den Nachkommen erzeugt. Unter diesen werden dann durch
wiederholte Prüfung des Phänotyps die Genotypen ausgelesen, deren Eigenschaften den Anforderungen
der jeweiligen menschlichen Gesellschaft und des Marktes entsprechen, für die sie erzeugt werden. Diese
Eigenschaften sind meist komplex, d. h. sie sind durch eine unbekannte Anzahl von Genen und durch
Umweltfaktoren bestimmt. Beispiele dafür in der Pflanzenzüchtung sind der Ertrag,
Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten und Schädlinge, Qualitäts- und Verarbeitungseigenschaften.
Der Ausleseprozess ist umso langwieriger und kostspieliger, je schwieriger es ist, die genetische von der
umweltbedingten Variabilität zu unterscheiden. In der Pflanzenzüchtung entstehen als Ergebnis dieses
Ausleseprozesses Zuchtlinien und Sorten, von denen einige manchmal über Jahrzehnte angebaut werden,
wie zum Beispiel die beliebte Kartoffelsorte "Sieglinde" von 1935, während andere Sorten den Markt
nie erreichen oder schnell wieder verschwinden. Sorten und Zuchtlinien von Nutzpflanzen sind
genetische Unikate, die in Genbanken gesammelt und erhalten werden, damit sie künftigen Generationen
zur Verfügung stehen und für Neuzüchtungen wieder verwendet werden können. Die Genbank des
Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben, eine der weltweit
größten ihrer Art, erhält zum Beispiel in Groß-Lüsewitz bei Rostock vegetativ 2200 Kartoffelsorten
(Solanum tuberosum) und Zuchtklone aus vielen Ländern, deren Entstehung bis in das 19. Jahrhundert
zurückreicht. Abbildung 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Stammbaum einiger Kartoffelsorten der
letzten 100 Jahre. Daraus geht hervor, dass zwischen einer Sorte vom Ende des 19. Jahrhunderts und
einer Sorte vom Ende des 20. Jahrhunderts 5 bis 6 Generationen liegen.
2770
www.mpg.de
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
Gebhardt, Christiane | Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in ...
Tätigkeitsbericht 2004
Abb. 1 : Nachweis genetischer Variation innerhalb einer Art durch DNA-Sequenzanalyse. Mithilfe der PCR
("Polymerase Chain Reaction") wurden DNA-Fragmente aus genomischer DNA von fünf verschiedenen KartoffelGenotypen hergestellt und sequenziert. Ein Ausschnitt von fünf Basenpositionen ist durch farbige Peaks dargestellt
(Blau = C, Rot = T, Grün = A, Schwarz = G). Die Kulturkartoffel (Solanum tuberosum) ist tetraploid, besitzt also
jede Sequenz in vierfacher Ausfertigung. Bei zwei Allelen ergeben sich somit fünf verschiedene
Kombinationsmöglichkeiten, die hier anhand eines SNP ("Single Nucleotide Polymorphism") dargestellt sind. Der
SNP-Marker befindet sich an der mittleren Position, an der je nach Genotyp der Pflanze entweder T oder C
(Homozygotie) bzw. sowohl T als auch C (Heterozygotie) vorkommen. Aus dem Verhältnis des blauen C-Peaks zum
roten T-Peak ergibt sich das Verhältnis der zwei Allele (Alleldosis) in den drei heterozygoten Genotypen.
Bild : Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
Das Wissen darüber, welche Gene Eigenschaften wie den Ertrag oder die Widerstandsfähigkeit gegen
Schadorganismen kontrollieren und welche Gen-Varianten einen positiven oder negativen Einfluss auf
eine Eigenschaft ausüben, könnte zur Entdeckung ungeahnter Schätze in Genbanken (ex situ), aber auch
in natürlichen Pflanzenpopulationen (in situ) führen. Varianten bestimmter Gene könnten mithilfe
molekulare Techniken wie der PCR ("Polymerase Chain Reaction") in Elternpflanzen nachgewiesen, in
Kreuzungsprogrammen kombiniert und in den Nachkommen gezielt ausgelesen werden. Gen-Varianten,
die sich positiv auf eine bestimmte Eigenschaft auswirken, könnten auch gentechnisch von einem
Genotyp auf einen anderen übertragen werden.
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
www.mpg.de
7713
Tätigkeitsbericht 2004
Gebhardt, Christiane | Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in ...
Abb. 2 : Stammbaum einiger europäischer Kartoffelsorten der vergangenen100 Jahre (nach Świeżyński et al. 1997).
Nach dem Sortennamen, der durchaus einen Bezug zum Zeitgeist haben kann, ist das Zulassungsjahr in Klammern
angegeben. Zuchtklone, die nicht zu Sorten wurden, sind mit Zahlenkombinationen bzw. Buchstaben bezeichnet.
Abstammungslinien sind durch Pfeile verdeutlicht.
Bild : Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
In Zusammenarbeit mit Dr. Konrad Schüler, Kurator der IPK-Kartoffel-Genbank in Groß-Lüsewitz,
wurde am MPI für Züchtungsforschung in Köln eine Pilotstudie durchgeführt zur Frage der Beziehung
zwischen DNA-Variation und der komplexen Eigenschaft einer Nutzpflanze. Aus den Blättern von 600
Kartoffelsorten aus 39 Ländern wurde DNA isoliert. Die 600 Proben wurden dann auf DNA-Variantion
in einer ganz bestimmten Region des Kartoffel-Erbguts untersucht. Diese Region zeichnet sich dadurch
aus, dass hier mithilfe molekularer Marker genetische Faktoren lokalisiert worden sind, die die
Widerstandsfähigkeit von Kartoffelpflanzen gegen verschiedene Krankheiten und Schädlinge
beeinflussen (Abb. 3), unter Anderem gegen die Kraut- und Knollenfäule, die durch den Oomyzeten
Phytophthora infestans (Abb. 4)verursacht wird. Für etwa 400 der genotypisierten Sorten standen
Boniturnoten bezüglich der Widerstandsfähigkeit von Blättern und Knollen gegen die Kraut- und
Knollenfäule zur Verfügung. Boniturnoten sind vergleichende Bewertungen von Eigenschaften unter
Feldbedingungen, ganz ähnlich unseren Schulnoten, mit dem Unterschied, dass Pflanzen von 1 bis 9
benotet werden, nicht nur von 1 bis 6. Mit Boniturnoten werden die über mehrere Jahre hinweg
ermittelten, wesentlichen Eigenschaften einer Sorte beschrieben. Mithilfe eines statistischen Tests wurde
geprüft, ob Sorten mit einer bestimmten DNA-Variante im Mittel bessere Noten für ihre
Widerstandsfähigkeit gegen die Kraut- und Knollenfäule erhalten hatten als Sorten, die diese DNAVariante nicht besaßen. Dies war in der Tat der Fall. Allerdings konnte diese Beziehung (Assoziation)
zwischen DNA-Variation und der Eigenschaft "Widerstandsfähigkeit im Feld gegen Kraut- und
Knollenfäule" nicht auf ein einzelnes Gen eingegrenzt werden, sondern nur auf einen Abschnitt des
Kartoffel-Erbguts, der mehrere Gene enthält. Das Problem, die Nadel im Heuhaufen zu finden, wurde
immerhin dadurch vereinfacht, dass der Heuhaufen erheblich verkleinert werden konnte. Dieser
interessante Abschnitt des Kartoffelgenoms wird derzeit molekular weiter untersucht, um das Gen oder
die Gene und deren Varianten zu identifizieren, die für den beobachteten Phänotyp verantwortlich sind.
4772
www.mpg.de
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
Gebhardt, Christiane | Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in ...
Tätigkeitsbericht 2004
Abb. 3 : Schematische Darstellung des Kartoffelchromosoms V mit dort lokalisierten Genen für
Widerstandsfähigkeit gegen die Kraut- und Knollenfäule (grün), das Kartoffelvirus X (blau) und Wurzelnematoden
(rot) (verändert nach Gebhardt und Valkonen 2001). Das grüne Rechteck bezeichnet den Abschnitt des Erbguts,
in dem DNA-Varianten in 400 Kartoffelsorten mit Boniturnoten für Widerstandsfähigkeit gegen die Kraut- und
Knollenfäule assoziiert sind.
Bild : Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
-
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
www.mpg.de
7735
Tätigkeitsbericht 2004
Gebhardt, Christiane | Molekulare Diagnose komplexer Eigenschaften in ...
Abb. 4 : Kartoffelpflanzen, die unter Feldbedingungen unterschiedliche Widerstandsfähigkeit gegen die Krautfäule
zeigen.
Bild : Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
Literaturangaben:
[1] Gebhardt C, Valkonen JPT (2001) Organization of genes controlling disease resistance in the potato
genome. Annu. Rev. Phytopathol. 39: 79-102.
[2] Gebhardt C, Ballvora A, Walkemeier B, Oberhagemann P, Schüler K (2004). Assessing genetic
potential in germ plasm collections of crop plants by marker-trait association: a case study for potatoes
with quantitative variation of resistance to late blight and maturity type. Mol. Breeding 13: 93-102.
[3] Świeżyński KM, Haynes KG, Hutten RCB, Sieczka MT, Watts P, Zimnoch-Guzowska E (1997)
Pedigree of European and North-American potato varieties. Plant Breeding and Seed Science,
Supplement to Vol. 41, No 1.
6774
www.mpg.de
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft