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08.07.2002

Wie maßgeschneiderte Kartoffelpflanzen entstehen

In der Biotechnologie lassen sich Knollen mit bestimmten Eigenschaften herstellen

Zunächst wurden Kartoffelpflanzen aus ihrem Ursprungsgebiet Südamerika nach Europa importiert, um sie wegen ihrer schönen, trichterförmigen Blüten und des Duftes als Zierpflanzen in Gärten anzubauen.

(Für Großansicht der Bilder mit dem Mauszeiger ins Bild clicken) Hybride von In-vitro-Pflanzen auf dem Feld
	Wildart der Kartoffel

Inzwischen ist die Art aus der Familie der Nachtschattengewächse mit dem lateinischen Namen Solanum tuberosum zu einer wichtigen Kulturpflanze geworden. Heute werden Sorten gezüchtet, die große, wohlschmeckende Knollen produzieren. Doch der Kartoffel setzen krankheitserregende Viren und Bakterien sowie gefräßige Insekten zu. Am stärksten macht ihr weltweit ein Pilz zu schaffen, Phytophthora infestans, der die Kraut- und Knollenfäule verursacht.

Er zerstört das Kraut, wodurch die Blätter vorzeitig absterben und die Knollen nicht mehr weiter wachsen. Bei direktem Befall durch Phytophthora verhärten sich die Knollen und werden braun. Der Pilz war die Ursache der schrecklichen Hungersnot in Irland im 19. Jahrhundert und richtet auch heute noch großen wirtschaftlichen Schaden an. Prof. Helga Ninnemann und Dr. Lieselotte Schilde vom Institut für Pflanzenbiochemie der Universität Tübingen bauen Resistenzen gegen den Pilz in Kartoffelpflanzen ein und testen ihre Neuentwicklungen als Pflanzenkulturen im Labor, unter geschützten Bedingungen im Gewächshaus und auf den Freilandflächen, die direkt am Institut liegen.

Im Vordergrund Kartoffelsorten, die von der Krautfäule Phytophthora infestans befallen sind, im Hintergrund gegen den Pilz resistente Hybridpflanzen.

"Anfang des 20. Jahrhunderts war es durch Züchtung gelungen, die Resistenz gegen Phytophthora stabil in Kulturkartoffeln einzubauen. Aber das hält sich inzwischen nicht mehr, die Pilzrassen sind aggressiver geworden", berichtet Schilde. Das hat zur Folge, dass beim Kartoffelanbau vermehrt Fungizide, pilzabtötende Mittel, eingesetzt werden müssen. Die Forscherinnen arbeiten daher an der Entwicklung resistenter Pflanzen, indem sie das große Reservoir an südamerikanischen Wildarten der Kartoffel nutzen, die gegen den Pilz unempfindlich sind. "Die Wildarten werden in Genbanken konserviert und es ist daher kein Problem, sie für die Forschung zu beziehen", sagt Ninnemann. Nachteil dieser Arten sei jedoch, dass sie häufig mit den Kulturkartoffeln nicht direkt kreuzbar sind. Diese natürliche Züchtungsbarriere überwinden die Forscherinnen mit biotechnologischen Methoden und kommen dabei ohne Gentechnik im engeren Sinne aus.

Sie verwenden "nackte Zellen" ohne feste Zellwand der beiden Pflanzen, die kombiniert werden sollen, der Wildart mit der Pilzresistenz und einer guten Kultursorte.

Protoplasten, wandlose Zellen, nach der Elektrofusion. Darunter sind Fusionsprodukte aus zwei Protoplasten zu erkennen.

Dafür werden zunächst die aus Südamerika eingeführten Wildarten aus Samen unter sterilen Bedingungen herangezogen. Von den Pflanzen werden die Blätter geerntet, zerkleinert und die feste Zellwand, die unter anderem aus holzähnlichem Lignin besteht, durch Enzyme abgelöst. Übrig bleiben Zellen, die nur noch von einer Zellmembran umschlossen sind und die sich ohne die feste Wand kugelig abrunden — so genannte Protoplasten. "Wenn man die beiden Protoplastenarten zusammengibt und ein elektrisches Feld anlegt, verschmelzen die Protoplasten und kurz darauf die Zellkerne mit dem Erbgut", erklärt Schilde. Die verschmolzenen nackten Zellen können sich häufig weiter teilen und bilden eine Zellkolonie. Auf speziellen Nährmedien regenerieren sich diese in drei bis vier Monaten zu vollständigen Kartoffelpflänzchen.

Die Zellkolonien wurden auf ein Medium umgesetzt, das die Regeneration der Pflanzen auslöst.		Aus drei Zellkolonien entwickeln sich Pflanzen

Und dann heißt es immer wieder: Prüfen, welche Pflänzchen tatsächlich ein Hybrid zwischen der Wild- und der Kulturpflanze sind. Dafür machen die Wissenschaftlerinnen eine Analyse des Erbguts.

Aus Zellkolonien regenerierte Pflänzchen.	Blätter der Wildart (links), der Zuchtlinie (rechts)und des Hybrids (Mitte)

Die Hybride mit dem Erbgut beider Sorten werden vermehrt und können als kleine Pflänzchen für weitere Forschungen bereits verschickt werden. "Wenn die geplante neue Sorte später zum Beispiel in Peru angebaut werden soll, ist es sinnvoller, die Pflanzen dort vor Ort weiter zu testen und mit den dortigen Kultursorten zurückzukreuzen. Denn sie müssen sich an einen gleichmäßigen Zwölf-Stunden-Tag anpassen, bei den hiesigen Sorten ist dagegen die Knollenbildung von wechselnden Tageslängen unabhängig", erklärt Schilde. Sind die Hybride zur Züchtung bei deutschen Pflanzenzüchtern bestimmt, laufen die ersten Tests meistens direkt am Tübinger Institut für Pflanzenbiochemie weiter.

Hybridpflanzen im Gewächshaus

Von der In-vitro-Kultur, winzigen Kartoffelpflänzchen in kleinen Gläsern, werden die Pflanzen dann im Gewächshaus in Erde gesetzt und schließlich in der folgenden Saison auch im Freiland getestet. "Diese Stufen sind wichtig, weil die Pflanzen auf dem Feld oft völlig andere Eigenschaften zeigen. Wir prüfen zum Beispiel die Vitalität und die Knollenproduktion", erklärt Ninnemann. Durch die Pilzsporen von Phytophthora, die natürlicherweise überall vorkommen und im Freiland zufällig auf die Pflanzen fallen, lässt sich feststellen, wie gut die Resistenz der Pflanzen gegen den Pilz ausgebildet ist.

"Wir arbeiten stark anwendungsorientiert und geben die ausgewählten resistenten Pflanzen dann an Zuchtstationen weiter", sagt die Forscherin. Denn mit der Verschmelzung der Protoplasten und den daraus regenerierten Pflanzen sind die Kartoffeln noch lange nicht für den Anbau in der Landwirtschaft geeignet. "Die bei uns hergestellten Hybride zeigen vor der Weiterzüchtung auch viele unerwünschte Eigenschaften der Wildart, haben zum Beispiel winzig kleine Knollen", erklärt Schilde. Beim Rückkreuzen des Hybriden mit anderen Kultursorten kann auch die Resistenz gegen Phytophthora verloren gehen. "Günstig ist es, wenn für die Resistenz mehrere Gene verantwortlich sind, da sich die Resistenz dann als stabiler erweist", sagt Ninnemann. Die Forscherinnen haben in den letzten Jahren einige Erfolg versprechende Hybride an Zuchtstationen in Deutschland und Lateinamerika weitergegeben, wo sie in die Sortenzüchtung integriert wurden. Auf diese Weise erweitern die Hybridpflanzen die genetische Basis zukünftiger Sorten. (5732 Zeichen)

Nähere Informationen

Prof. Helga Ninnemann
Dr. Lieselotte Schilde
Institut für Pflanzenbiochemie
Corrensstraße 41
72076 Tübingen

Tel. 0 70 71/2 97 29 56
Fax 0 70 71/64 00 19

Die Fotos können auf Anfrage bei der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit per e-mail zugesandt werden.