Die Züchtung von Hybriden ist in der Landwirtschaft seit vielen Jahrzehnten gängige Praxis: Durch die Kreuzung unterschiedlicher Arten oder Unterarten können Kulturpflanzen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften entstehen. Diese sind dann zum Beispiel ertragreicher, weniger anfällig für Krankheiten oder können besser mit Wetterextremen umgehen – Merkmale, die angesichts des Klimawandels und der wachsenden Weltbevölkerung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Das Problematische dabei: Oftmals gehen den Hybriden einige ihrer guten Qualitäten bereits in der zweiten Generation wieder verloren. Schuld daran ist der Fortpflanzungsprozess, bei dem bestimmte gewünschte genetische Eigenschaften mitunter abhandenkommen.
Klone der Mutter
Wie praktisch wäre es dagegen, einfach Klone der perfekten Hybride produzieren zu können? Bei manchen Pflanzen funktioniert dies tatsächlich. Denn sie vermehren sich asexuell – dabei entsteht durch mitotische Teilung eine erbgleiche Kopie des Mutterorganismus. Ausgerechnet wichtige Nahrungspflanzen wie Reis, Mais und Weizen sind zu dieser Form der Reproduktion jedoch nicht in der Lage. Doch woran liegt das? Um das herauszufinden, haben Wissenschaftler um Imtiyaz Khanday von der University of California in Davis im Erbgut der asiatischen Reisart Oryza sativa nach Hinweisen gesucht. Dabei stellten sie fest: Ein Gen namens BBM1 wird bei dem Reis zwar in den Spermien-, nicht aber in den Eizellen exprimiert. Ausgerechnet dieses Gen scheint nach der Befruchtung eine entscheidende Rolle für die Entwicklung des Pflanzennachwuchses zu spielen. Mit anderen Worten: Ohne väterliches Erbgut kann kein Embryo entstehen.
So zumindest hat es die Natur vorgesehen. Doch dieses Problem lässt sich lösen, wie weitere Untersuchungen zeigten. Um beim Reis eine ungeschlechtliche Fortpflanzung zu ermöglichen, unterbanden die Forscher mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 zunächst die Fähigkeit der Pflanze zur Meiose. Bei diesem Zellteilungsprozess wird der Chromosomensatz der Zelle halbiert – bei der geschlechtlichen Vermehrung gleicht dies die Verdopplung aus, die durch die Verschmelzung eines väterlichen und eines mütterlichen Zellkerns erfolgt. Bei den gentechnisch veränderten Pflanzen behielten die Eizellen somit ihren zweifachen Chromosomensatz und bestanden nur aus mütterlichem Erbgut. Nun folgte der entscheidende Schritt: Das Forscherteam modifizierte die Eizelle so, dass auch sie das Gen BBM1 exprimierte. “Wir hatten nun also eine diploide Eizelle, die die Fähigkeit hatte, einen Embryo zu bilden, der zu einem Samen-Klon heranwächst”, berichtet Khandays Kollege Venkatesan Sundaresan.
Auch bei Mais und Co
Tatsächlich zeigte sich, dass der so generierte Reis-Nachwuchs sämtliche Eigenschaften der Mutterpflanze behalten hatte. “Dies belegt, dass Reis in eine sich asexuell vermehrende Pflanze umgewandelt werden kann”, schreibt das Team. In Zukunft gilt es, den nun erprobten Prozess weiter zu optimieren. Denn bisher ist das Verfahren nur in rund 30 Prozent der Fälle erfolgreich. Haben die Wissenschaftler Erfolg, bahnt sich damit jedoch womöglich ein bedeutender Fortschritt für die Landwirtschaft an. Gerade ärmere Farmer, die sich nicht jedes Jahr neue Hybrid-Samen leisten können, könnten dann qualitativ gleichwertigen Nachwuchs aus ihren eigenen Pflanzen ziehen. Dies würde theoretisch nicht nur bei Reis, sondern auch bei anderen Getreidepflanzen wie Mais funktionieren, wie Khanday und seine Kollegen betonen.
