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Folgendes Kapitel Chromosom
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PFLANZENZÜCHTUNG
Züchtung Mutationszüchtung
Auslese Zellkulturen
Kreuzung Gentechnologie
Ausführung von Kreuzungen Risiken
Pollen Fachbegriffe
2.4 Saatgutbau und Züchtung
Bei der Züchtung unterscheidet man Erhaltungs- und Neuzüchtung. Die Erhal-
tungszüchtung soll nur dem Abbau guter, gewünschter Eigenschaften vorbeugen,
während bei der Neuzüchtung mehrere Zuchtziele vorliegen:
- Ertragssteigerung, Masseerhöhung des Erntegutes und beschleunigtes
Wachstum bzw. optimale Ausnutzung der angebotenen Ressourcen
- Verbesserung der Qualität in Bezug auf Aussehen, Farbe, Geschmack, Form,
industrielle Verwertbarkeit, maschinelle Erntbarkeit, Transport- und
Lagerfähigkeit
- Erhöhung der Klimafestigkeit
- Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten und Schädlinge,
Schaffung von Resistenz.
Oftmals widersprechen die Zuchtziele einander: Während die industrielle Pro-
duktion eine einmalige Totalernte anstrebt, wünscht sich ein Kleingärtner
einen kontinuierlichen, langandauernden Erntefluss.
2.4.1 Zuchtverfahren
1. Auslese, Selektion
Die Auslese ist die einfachste Methode besonders in der Erhaltungszüchtung.
Man kennt die positive Massenauslese: Die besten Exemplare eines Bestandes
werden ausgelesen und für sich vermehrt; und die negative Massenauslese, wo nur
die nicht befriedigenden Exemplare entfernt werden.
Saatgut aus speziellen Versuchsbeständen heißt Leistungsauslese (LA), während
Saatgut von ausgesuchten normalen Beständen (selektierte_Pflanzen, SEL) ohne
gelenkte Befruchtung erzeugt wurde.
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2.4.2 Kreuzung
Die Kreuzung (Bastardisierung, Hybridisation) ist die natürliche oder will-
kürliche Vereinigung zweier Keimzellen (Gameten), die meist nicht die gleichen
Erbanlagen besitzen. Die Erbanlagen sind in der im Zellkern befindlichen DNS
gespeichert, und die DNS ist in Chromosomen gegliedert. Die Anzahl und die Zu-
sammenstellung der Chromosomen ist für jede Art charakteristisch. Dabei ent-
halten die gewöhnlichen Körperzellen zwei Sätze von Chromosomen, von denen
einer vom Vater, der andere von der Mutter stammt; die Bezeichnung "diploid"
(abgekürzt 2n) deutet darauf hin.
Die Keimzellen enthalten nur einen Chromosomensatz (haploid, n). Die Unter-
suchungen haben gezeigt, dass man noch genauer spezifizieren muss, um die Ver-
erbung zu verstehen, siehe dazu Chromosom
Die Eigenschaften der Nachkommen werden durch bestimmte, lokalisierbare Ab-
schnitte in der DNS (Desoxyribonukleinsäure) gebildet, ein solcher Abschnitt
heißet "Allel".
Durch "Mutation" wird das Allel verändert, es entsteht ein neuer Genotyp,
was sich später als Variation eines bestimmten Merkmals äußern kann - man
spricht von einem neuen, unterscheidbaren "Phänotyp" (äußerlich erkennbare
Erscheinungsform). Je nach Größe der Allelenserie hat man schon mehr als 20
unterscheidbare Phänotypen bei einer Art gefunden.
Die beiden Eltern vor der Kreuzung gehören zur "Parenteralgeneration" (oder
P1-Generation), die Großeltern zur P2-Generation usw.
Die der Kreuzung entstammende Generation heißt erste "Filialgeneration" oder
kurz F1, die folgenden F2 und so fort. Die F1 besitzt von jedem Elter ein
Allel.
Die Aufspaltung und Vererbung von Eigenschaften wurde zuerst von G. MENDEL
untersucht, die Ergebnisse sind später von C. CORRENS, E. TSCHERMAK und H. de
VRIES neu aufgefunden, ergänzt und verfeinert worden.
1. Uniformitätsregel und Reziprozitätsregel
Die F1 muss homogen sein, sofern die Eltern homozygot (das Paar hat iden-
tische Allele) waren, unabhängig, wer Vater oder Mutter ist.
In der F1 gibt es zwei Möglichkeiten für die Merkmalsausbildung:
1.1 F1-Individuen zeigen Merkmalsausbildungen, die zwischen denen der
Eltern liegen; diese Allele führen zu intermediärer (dazwischen liegender
Vererbung
1.2 F1-Individuen zeigen das Merkmal eines Elters, dessen Allel ist dominant
(überwiegend), das Allel des anderen Elters ist rezessiv (zurücktretend).
Die Vererbung ist alternativ.
2. Spaltungsregel
Ein rezessives Merkmal ist in der F1 nicht sichtbar.
Wird die F1 geselbstet oder untereinander gekreuzt, so ist die F2-Gene-
ration nicht gleichförmig, sie spaltet in bestimmten Zahlenverhältnissen
auf: Bei intermediärer Merkmalsausbildung sind 50 % intermediär und je-
weils 25 % zeigen die ausgeprägten Merkmale der Eltern. Bei Dominanz
zeigen noch 25 % das rezessive Merkmal.
3. Unabhängigkeitsregel
Bei der Kreuzung von Individuen, die sich in mehr als einem Merkmal
unterscheiden, treten in F2 die Merkmale in allen möglichen Kombina-
tionen auf, die sich aus der Spaltungsregel herleiten lassen. Die Auf-
spaltung in diese Kombinationen ist unabhängig voneinander.
Die Kreuzung zwischen genetisch sehr nahestehenden Individuen führt zur
Inzucht, die am stärksten bei Selbstbefruchtung (= Selbstung) ausgeprägt ist.
Damit ist eine Schwächung der vegetativen und generativen Leistungsfähigkeit
bis zu einem stabilen Minimum - der Inzuchtdepression - verbunden. Den Stamm
an Nachkömmlingen dieser Pflanze bezeichnet man als I-Linie (Inzuchtlinie).
Die Kreuzung von Linien, die dieses Minimum erreicht haben, zieht oft
Heterosiseffekte nach sich, die die Heterosiszüchtung ausnutzt. Bei Heterosis
(Bastardwüchsigkeit) zeigt die F1-Generation eine besonders starke Wüchsigkeit,
die wesentlich über der der Eltern liegt. In den nachfolgenden Generationen
klingt dieser Effekt wieder stark ab.
Kreuzungssysteme
Einfachkreuzung, Single_Cross, SC:
Aw x Bm -> F1 m=männlich, w=weiblich
und Am x Bw -> F1
Rückkreuzung
(A x B) x A -> F1
Doppelkreuzung, Doppelhybride, double_cross, DC)
(A x B) x (C x D) -> F1
Dreiwegehybride, three_way_cross, TC
(A x B) x C -> F1
Reziproke_Kreuzung
Am x Bw + Aw x Bm -> F1
Von einer Hybride spricht man, wenn das Ergebnis von Eltern abstammt, die
in mindestens einem Merkmalspaar voneinander abweichen. Mit mehreren
Merkmalsunterschieden ergeben sich Polyhybriden.
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Praktische Ausführung von Kreuzungen
Zuerst müssen die Blüh- und Befruchtungsverhältnisse geklärt werden. Die
Selbstbestäubung (Autogamie) ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zwittrige
Blüten durch ihren eigenen Pollen befruchten (selbstfertil).
Da sich die Fremdbestäubung (Allogamie) im allgemeinen erfolgreicher gestal-
tet, weil sich damit verdorbene Erbanlagen reparieren lassen, verhindern man-
che Arten die Selbstbestäubung durch die getrennte Anordnung männlicher und
weiblicher Blüten und durch unterschiedliche Blühtermine.
Blühen männliche Blüten zeitlich vor weiblichen, nennt man das vormännig
(proterandrisch), die umgekehrte Reihenfolge heißt vorweibig (proterogyn).
Unter Einhäusigkeit (Monözie, Synözie) versteht man die Anordnung weiblicher
und männlicher Blüten auf einer Pflanze; trägt dagegen eine Einzelpflanze nur
männlich oder nur weibliche Blüten, so spricht man die Art als zweihäusig
(heterözisch, diözisch) an. Um zu Früchten und Samen zu gelangen, muss man
von zweihäusigen Arten daher stets mehrere Exemplare pflanzen. Einige Arten
schützen sich vor Selbstbestäubung auch dadurch, dass sie Abwehrreaktionen
gegen den Pollen der eigenen Blüte zeigen, der damit nicht durch das Griffel-
gewebe wachsen kann.
Kreuzung ist fast immer möglich zwischen Individuen einer Art (Sortenkreuzung),
schwerer aber zwischen verschiedenen Arten einer Gattung, die mitunter noch
fruchtbar sind (Artkreuzung). Gattungsbastarde sind, sofern sie sich überhaupt
bilden lassen, kaum noch fruchtbar. Gelegentlich lässt sich eine Annäherung
nicht kreuzbarer Partner durch Pfropfung herbeiführen. Heute ist die Zell-
kultur im Labor das Mittel der Wahl.
Das diffizilste Problem ist die gezielte Bestäubung. Man benötigt Glashäuser
oder durch Gaze abgedichtete Räume, um unerwünschte Bestäubung durch Insekten
zu verhindern.
Die Selbstbefruchtung wird durch Kastration verhindert, bei der die Staubge-
fäße bereits vor dem Aufblühen aus den Blüten der Mutterpflanze entfernt werden,
ebenso werden männliche Blüten ganz abgeschnitten. Der Pollen muss reif und be-
fruchtungsfähig sein, dazu gehören entsprechende Temperatur und hohe Luftfeuch-
tigkeit. Er wird mit einem Pinsel auf die Narbe gebracht oder man schneidet
männliche Blüten ab, mit denen die weiblichen zu betupfen sind.
Selbstbefruchtung gelingt meist durch Schütteln der betreffenden Blüte.
Um z.B. Obstbaumblüten zu befruchten, wendet man zwei Arten der Pollenüber-
tragung an:
Direkte Pollenübertragung: Gerade geöffnete, trockene Pollenspenderblüten
werden mit Stiel abgeschnitten, von Blütenblättern befreit und auf Papier aus-
gebreitet. Bei Zimmertemperatur (im Schatten) öffnen sich die Staubgefäße.
Nunmehr werden die Blüten des zu bestäubenden Baumes mit den Befruchterblüten
betupft. Eine Befruchterblüte wird für 2..4 Empfängerblüten benutzt.
Indirekte Pollenübertragung geht auch von der Sammlung der Pollenspenderblüten
aus. Die nach der Lagerung aufgeplatzten Staubgefäße werden mit einem Skalpell
abgetrennt, zerrieben und in ein Glas abgefüllt. Mit einem feinen Tuschpinsel
wird der Pollen auf die Narben der Empfängerblüten gebracht. Es braucht
nur etwa jede dritte bis fünfte Blüte bestäubt zu werden, mehr wären zuviel.
Der Pollen kann etwa 14 Tage im Tiefkühlfach aufgehoben werden.
Der Zeitraum zwischen Bestäubung und Befruchtung beträgt wenige Minuten bis
zu mehreren Tagen. Jede Kreuzung wird mit einem Schildchen gekennzeichnet und
registriert, damit das Kreuzungsergebnis bei positivem Ausgang wiederholt
werden kann. Neigt der Samen bei der Reife zum Ausfallen, müssen die Samen-
träger mit kleinen Auffangbeutelchen gesichert werden. Nach gehöriger Ausrei-
fung wird ausgesät. Durch Auslese gewinnt man hochwertiges Material - die
Stammelite (StE) - das die Ausgangsbasis für die sogenannte Zuchtgartenelite
(ZGE) der Zuchtstationen bildet. Vermehrungsbetriebe vermehren die Zuchtgar-
tenelite in den Stufen Supersuperelite (SSE), Superelite (SE), Elite (E)
und Hochzucht (Hz). An den Verbraucher gelangt meist Hochzuchtsaatgut oder
solches aus Nachbau.
Eine Sorte kann aus einem oder mehreren Klonen eines Idiotyps (Biotyps) be-
stehen (Klonsorten aus vegetativer Vermehrung), aus erbgleichen, selbstbefruch-
teten Linien (Liniensorten) bzw. fremdbefruchteten Populationen (Populations-
sorten). Eine Varietät ist eine Population mit einheitlichen Merkmalen, aber
größerer genetischer Breite (Ökotypen). Landsorten sind schon relativ unein-
heitlich.
Der Züchter kann unterscheidbare neue Sorten mit wirtschaftlichem Wert gegen
unerlaubte Weitervermehrung und Handel schützen lassen. Im Katalog bedeutet
(R) oder (TM) hinter dem Sortennamen, dass der N a m e ein "Geschütztes
Warenzeichen" ist. Ein (S) weist aus, dass der Nachbau durch den Züchter er-
folgte oder durch lizenzierte Nachbauer vermehrt wurde, also "echt" ist.
Für die Züchtung sind besonders alte Sorten begehrt, die noch manche wertvolle
Eigenschaft besitzen.
Wissenswertes über Pollen [P42][P43][P47][P48]
In der Blüte unterscheidet man das weibliche Gynoeceum, das von Fruchtblättern
gebildet ist, sie sind zum Fruchtknoten mit Griffel und Narbe verwachsen; sowie
das männliche Androeceum, das von Staubblättern gebildet wird.
Ein Staubblatt besteht aus dem Blattstiel (Filament) und der Anthere.
In den Antheren entstehen aus einer Pollenmutterzelle durch Reduktionsteilung
vier haploide Mikrosporen, aus denen sich durch mindestens eine weitere Zell-
teilung die männlichen Gametophyten, die Pollenkörner, entwickeln.
Antheren öffnen sich durch Längs- oder Querriss, durch Klappen oder Poren, um
die Pollen ins Freie zu entlassen. Die Verbreitung genetischer Eigenschaften
geschieht prinzipiell durch Übertragung der Pollen. Pollen auf einer Narbe kei-
men unter Bildung eines Pollenschlauches aus, der das Narben- und Griffelgewebe
durchdringt. Hat der Pollenschlauch den Embryosack im Fruchtknoten erreicht,
entleert er die beiden Spermazellen in den Embryosack zur Eizelle zur Befruch-
tung.
Pollen sind gegenüber Umwelteinflüssen sehr beständig, manche historischen
Datierungen der Archäologie wurden durch die begleitenden Pollenfunde möglich.
Sie sind von Art zu Art sehr unterschiedlich. Das wichtigste Merkmal für die
Pollenbestimmung (bedeutsam für Allergiker) sind die Aperturen (Keimstellen),
durch die sich während des Befruchtungsvorganges die Intima (Innenschicht)
nach außen wölbt. Es sind dies zartere Stellen in der Exina (Außenschicht),
die als Colpi (Furchen) oder Poren oder Kombinationen auftreten (-colpat,
-porat, -colporat; je nach Anzahl wird mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, peri-
davorgesetzt). Größere Pollen von 10..100 Mikrometer können auch Stacheln
(Echini, Spinae), Auswüchse (Gemmae), Netze (Reticuli) oder Stäbchen
(Columellae) haben. Beschreibungen von Pollenarten stammen von WODEHOUSE,
ERDTMAN, FAEGRI, IVERSEN u.a., und jeder hat eine eigene Terminologie aufge-
stellt. Die Wissenschaft von den Pollen heißt Palynologie.
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2.4.3 Mutationszüchtung
Die genetische Information kann sich plötzlich durch den Einfluss von Mutagenen
ändern, was als Mutation bezeichnet wird. Als Mutagen wird ein Agens bezeichnet,
das in der Lage ist, Mutationen herbeizuführen. Den Züchtern stehen als Mutagene
vor allem starke Strahlungen - UV-Licht, Röntgenstrahlung, Radioaktivität -
Temperaturschocks und bestimmte Chemikalien wie Kolchizin zur Verfügung. Die
Wirkung ist unberechenbar, und aus einer großen Anzahl von Mutanten sind nur
wenige halbwegs brauchbar, weshalb sich dann die üblichen Ausleseverfahren an-
schließen.
Es kann auch nur eine Zelle am Vegetationspunkt der Pflanze von der Mutation be-
troffen sein. Diese vegetativ vermehrbaren Knospenmutanten oder Sprossmutanten
nennt man Sports. Wird die Mutation auf mindestens zwei zellulare Außenschichten
übertragen, sind die Sport u.U. sogar generativ vermehrbar.
Mittels chemischer Einflüsse lässt sich mitunter die Anzahl der Chromosomensätze
vervielfachen (die Angabe der Chromosomen bei den einzelnen Arten erfolgt durch
die Anzahl der Chromosomen pro Satz (n) und die Anzahl der Sätze (m). So sind
m=1 haploid (bei den Gameten); m=2 diploid bei normalen Zellen und mehr als m>2
Genome bei den polyploiden Formen). Mit der Polyploidie tritt eine erhöhte Varia-
tionsbreite an Genkombinationen mit teilweise leistungsfähigeren Typen auf, was
für die Evolution bedeutungsvoll ist. Bei der Polyploidie gibt es diverse Chro-
mosomenkombinationen:
2n+1, trisom Ein Chromosom ist im Genom dreimal enthalten
2n-1, monosom Ein Chromosom fehlt
2n+1+1 Es sind zwei verschiedene Chromosomen zusätzlich enthalten
2n+II, tetrasom Es gibt ein überzähliges Chromosomenpaar
2n-II, nullisom Ein Chromosomenpaar fehlt.
Bei Eukaryonten wie Pflanzen (Pilze, Tiere) sind normalerweise nur die Kerne
des primären Embryosackes und des Pollens haploid. Unbefruchtete Eizellen kön-
nen sich mitunter zu haploiden Pflanzen auswachsen, das heißt Parthenogenese.
Androgenese heißt es, wenn sich ein kernloses Ei mit einem Zellkern des Pollen-
schlauches auswächst. Solche haploiden Pflanzen entwickeln sich meistens normal,
aber sie sind kleiner und unfruchtbar (steril). Wenn man mit verschiedenen Mit-
teln die Chromosomenzahl verdoppelt, heißen sie dihaploid. Aus dihaploiden
Artbastarden können fruchtbare (fertile) Nachkommen mit zweimal zwei Genomen
entstehen, durch solche Amphidiploidie entstehen sehr lebensfähige Nachkommen,
die besser als die Eltern angepasst sein können.
(Die Amphidiploidie ist eine Methode zur Identifikation der Ausgangsformen
(z.B. für Sortenrechte!): Man kreuzt die zu analysierende Form mit diploiden
Verwandten und untersucht die Menge der in der Meiose gebildeten Bivalente
(Merkmalspaare), wobei die zur Paarung befähigten Chromosomen einen gemeinsamen
Ursprung haben müssen.)
Ein ziemlich komplizierter Zuchtvorgang stellt sich so dar:
Polyploide Formen sind mitunter spalterbig (heterozygot); das heißt, die Nach-
kömmlinge zeigen verschiedene Eigenschaften. Dann müssen Versuche angestellt
werden, um wieder die halbe Chromosomenzahl zu erreichen, etwa durch Kreuzung
tetraploider Rassen mit diploiden. Nun ist wiederum der Ertrag dihaploider Sor-
ten nicht so hoch, so dass wieder eine Retetraploidisierung (z.B. mit Kolchizin)
angezeigt ist.
Man unterscheidet auch noch:
- Gen-Mutation
Änderung einzelner Allele
- Chromosomen-Mutation
Durch Bruch und Neuzusammenbau von Chromosomen, entweder durch Verlust von
Teilen (Deletion), durch Verdopplung (Duplikation), durch Vertauschung
(Inversion) oder Einbau an anderen Ort (Translokation)
- Genom-Mutation
Änderung der Chromosomenanzahl in den Schritten: Dysploidie, eins mehr oder
weniger; ungleiche Aufteilung bei Mitose (Aneuploidie); Vervielfachung der
Chromosomensätze (Polyploidie) wie oben geschildert.
Zellkulturen und Gewebekulturen [P47][P48]
Man geht davon aus, dass jede Zelle universell ist, gleichwertig ist und die
Fähigkeit hat, alle Lebensfunktionen zu realisieren (Totipotenz). Im Gewebe
wird die Totipotenz unterdrückt und Spezialaufgaben der Zellen haben Vorrang.
Eine Pflanze wächst sowohl durch Zellteilung wie auch durch Zellvergrößerung.
Bei der Zellteilung unterscheidet man
Mitose: In somatischen (vegetativen) Zellen verdoppelt sich in mehreren
Phasen jedes entspiralisierte Chromosom im Zellkern zu Spalthälften
(Chromatiden), jede Tochterzelle bekommt ein erbgleiches Chromatid.
Meiose, Reduktionsteilung: Im ersten Teilungsschritt wird die Chromosomen-
zahl der zwei homologen (mütterlichen und väterlichen) Chromosomen-
sätze halbiert, es entstehen 4 Chromatiden nebeneinander, wobei es
zur Neukombination (Rekombination, Crossing over) kommen kann. In
jede der vier Tochterzellen gelangt ein vollständiger, haploider
Satz in eventuell neuer Zusammensetzung. Die haploiden Zellen können
sich dann geschlechtlich fortpflanzen, durch diese Neukombination
ist die Aufspaltung gemäß der MENDELschen Gesetze verstehbar.
In-vitro-Kultur: Kallus- und Zellsuspensionskulturen
Undifferenzierte Zellen aus dem Bildungsgewebe (Meristem, eine etwa 0,1 mm dicke
Zellschicht an Spross- oder Wurzelspitzen, Knospen) werden zu einer Suspension
(Aufschwemmung) zerkleinert oder auf ein Nährsubstrat gebracht.
Das erste Wachstum erfolgt unter Bewegung (damit Sauerstoff zugeführt wird)
zunächst irregulär; mit anderen Wuchsstoffen (Enzymen, Hormonen) und Nährstoffen
wird dann das definierte Wachstum gesteuert.
Der Nährboden enthält z.B. Agar-Agar als Nährboden, Zucker als Energielieferant
(weil ja kein funktionsfähiges Chlorophyll vorliegt), Mineralstoffe, Vitamine,
Wuchsstoffe (mehr IES als Kinetin befördert die Wurzelbildung, mehr Kinetin als
IES fördert die Sprossentwicklung).
Zusammensetzung eines Mediums (nach MURASHIGE, SKOOG 1962) in mMol/l: [47]
18,8 Kaliumnitrat 0,1 Borsäure in µMol/l
1,3 Kaliumdihyd.phosph. 0,1 Mangansulfat 0,3 Thiamin
20,6 Ammoniumnitrat 0,1 Eisen-II-sulfat 2,5 Pyridoxin
1,5 Magnesiumsulfat 0,1 Na-EDTA 4,1 Nicotinsäure
3,0 Calciumchlorid 0,00015 Kobaltchlorid 26,7 Glycin
0,6 Myo-Inositol 0,0001 Kupfersulfat 11,4 IES
88 Saccharose 0,03 Zinksulfat 0,9 Kinetin
0,001 Natriummolybdat
0,005 Kaliumjodid
Hat man die richtige Zusammensetzung gefunden, bildet sich besonders bei hoher
Auxinkonzentration ein Wundgewebe (Kallus). Der Kallus ist zunächst ein undif-
ferenzierter Zellhaufen, wobei der Trick darin besteht, die Sprossförderung
(apikale Dominanz) zu brechen, wo die Zellteilung nur an Spross- und Wurzelspit-
ze stattfindet. Schüttelt man das Nährmedium ständig, so spricht man von
Zellsuspensionskultur.
Eine solche Kulturform wird auch bei der Produktion von Naturstoffen in Reakto-
ren ("Fermenter") durchgeführt, denen ständig Nährstoffe und Sauerstoff zuge-
führt und laufend Zellmaterial entnommen wird; als Konkurrent für die Landwirt-
schaft tritt diese Produktionsweise nicht auf, da sich der Aufwand nur bei ent-
sprechend teuren Naturprodukten lohnt.
Durch Cytokinin-Einfluss wird die apikale Dominanz gebrochen, es entstehen meh-
rere Sprosse, die einzeln in hormonfreier, steriler Erde oder in einem Nährme-
dium bewurzeln. Bedingt durch ungleiche Zellteilungen sind oft mehrere Phänoty-
pen zu erkennen (somaklonale Variation), aus denen man die Neuzüchtungen (neue
Genotypen) ausliest. Mit solch einer Gewebekultur kann man virusfreie Bestände
züchten (angewendet z.B. bei Himbeeren, Stachelbeeren, Apfel, Rosen, Weinreben,
Hopfen).
Zum Anfang dieses Kapitels
Bio- und Gentechnologie
Genetische Manipulationen an Zellen werden oft durch die Zellwände behindert,
weshalb diese durch Enzyme (Cellulasen, Hemicellulasen, Pektinasen; aus Pilzen
gewonnen) aufgelöst werden können. Die nunmehr nackten Zellen heißen
Protoplasten. Pflanzen mit Doppeleigenschaften werden im Labor nun durch
Verschmelzung der Protoplasten besonders in Gegenwart von Calcium, Polyethylen-
glykol, Dimethylsulfoxid u.a. erzeugt, wodurch natürliche Sterilitätsbarrieren
überwunden werden können (Gattungsbastarde).
Nach dem Eingriff lässt man die Zellwände unter geeigneten Kulturbedingungen
wieder wachsen.
Auf diese Weise wurden schon neue Arten gezüchtet, z.B. aus Kartoffeln und
Tomaten ("Tomatoffeln", "Karmaten").
Im Verlaufe einer Selektion werden Protoplasten-, Zell- oder Kalluskulturen
bestimmten Giften ausgesetzt. Die überlebenden Zellen sind resistent und
werden vermehrt.
Mit Enzymen kann man die DNS-Stränge abschnittsweise auseinanderschneiden und
wieder zusammenfügen (z.B. ein Resistenzgen gegen Herbizide einbauen).
Für das Einschleusen eines Gens in eine andere Pflanzenzelle kennt man weitere
Methoden [48]:
- Wolfram- oder Goldkügelchen von rund 1,5 µm Größe mit Plasmid-Beschichtung
werden mit großer Geschwindigkeit in die Pflanzenzelle, in Embryos oder Zell-
kulturen geschossen (Particle-Gun-Methode).
- Gen-Fähre: Das Bakterium Agrobacterium tumefacies kann namentlich zwei-
keimblättrige Pflanzen infizieren und Tumore erzeugen. Zellen aus den Tumoren
wachsen im Nährmedium ohne Hormone und unterbinden damit die Differenzierung
zu Spross und Wurzel. Ein Abschnitt eines Plasmids (das ist DNA außerhalb der
Chromosomen, deren Produkte für die Zelle nicht lebensnotwendig sind) dringt
in den Zellkern der Wirtszelle ein und wird eingebaut.
Das Ti-Plasmid kann demnach als Überträger eines Fremdgens fungieren. Nach dem
benutzten Bakterium nennt man das Verfahren auch Agroinfektion.
- Wie das Agrobacterium können auch Viren Fremd-DNA einfügen. Über Samen wird
die Fremd-DNA nicht weitergegeben. Da die pflanzenpathogenen Viren wirtsspe-
zifisch sind, kombiniert man diese Methode der Transformation mit der Agroin-
fektion.
- Liposomen (winzige Wassertröpfchen mit Wirkstoffen usw., umgeben von einem
Lipidfilm, der die Koagulierung verhindert) mit DNA werden in Vakuolen ein-
gebracht. Die Liposomen können mit Tonoplasten verschmelzen und die Fremd-DNA
in das Zellplasma transportieren.
- Injektion mit einer feinen Kanüle in den Zellkern, in Protoplasten, Embryos
oder Meristem
- Einbringen von Zellen in DNA-Lösungen. Die Zellen können elektrischen Entla-
dungen, UV-Laserlicht oder Beschuss mit Goldteilchen ausgesetzt werden, die
die Zellwand durchlöchern, wodurch die Fremd-DNA eindringen kann.
Die Gentechnik macht es aber z.B. möglich, dass immer ein einwandfreier
Sortennachweis (z.B. für Rechts- und Urheberfragen) geführt werden kann, da
man umweltunabhängig DNS-Profile erstellen kann mit
- RELP-Technik (Restriction Fragment Lenght Polymorphism) wie in der Kriminal-
technik: Die DNS der Chromosomen wird durch Enzyme in Fragmente zerlegt, die
dann durch Elektrophorese in einem Gel sortiert werden,
- PCR-Fingerprinting (Polymerase Chain Reaction): Kurze, willkürlich ausge-
wählte DNS-Fragmente (Primer) docken an verteilten Zielsequenzen an und
erst diese werden vervielfältigt und durch Elektrophorese deutlich gemacht.
[P45]
Risiken der Gentechnologie [P48]
Gentechnisch veränderte Organismen im Sinne des Gentechnik-Gesetzes sind
Organismen, deren genetisches Material in einer Weise verändert worden ist,
wie sie unter natürlichen Bedingungen durch Kreuzen oder Rekombination nicht
vorkommt.
Gentechnische Experimente werden kritisch betrachtet, da man bei der Freiset-
zung nicht immer sicher sein kann, dass im Ökosystem etwas aus der Balance
kommt. Das neue Gen kann einen ganzen Komplex ändern oder es wird an falscher,
unbeabsichtigter Stelle eingebaut und erzeugt völlig andere Eigenschaften.
Diese Kunstprodukte müssen also eine ganze Weile und unter allen möglichen
Bedingungen argwöhnisch und verantwortungsbewusst geprüft werden, aber das
muss auch bei herkömmlichen Züchtungen erforscht werden:
- Kann die Art verwildern und damit einheimische Arten verdrängen?
- Kann das Gen unabhängig von sexueller Fortpflanzung auf andere Arten "über-
springen" (horizontaler Gentransfer)?
Springende Gene, die also ihren Platz innerhalb des Genoms wechseln, sind
auch bei bestehenden Arten zu beobachten.
- Können resistente Viren entstehen oder einen neuen Wirtskreis erschließen?
Die Rekombination von Viren ist auch schon bei konventionell gezüchteten
Pflanzen beobachtet worden.
- Können neue Substanzen entstehen (pleiotrope Effekte, Nebeneffekte), die
beim Verzehr schädlich sind? Dieses Risiko besteht immer und muss auch bei
jeder konventionellen Züchtung kontrolliert werden.
- Was passiert beim Abbau genetisch veränderten Materials durch Mikroorganis-
men, sind die Abbauprodukte für andere Pflanzen oder Tiere schädlich?
- Reichen bei Freisetzungsversuchen die Isolationsabstände oder Abschirmungen
durch Mantelsaat aus? Wie weit wird Pollen getragen?
- Wie stark verderben ausgefallene Samen nachfolgende und benachbarte Kulturen?
Wichtige Begriffe in der Übersicht [P11]:
Anaphase: Stufe der Mitose, bei der sich die Chromatiden jeden Chromosoms
vonanander trennen und zu den Zellpolen wandern
Antherenkultur: Aseptische Kultivierung junger Antheren (Staubbeutel) mit noch
unreifen Pollenkörnern auf Nährmedium zur Erzeugung haploider Pflanzen aus
den Pollen
Centromer: Verknüpfungspunkt der beiden Arme der Tochterchromatiden
Chromatiden: "Arm" mit einem durchgehenden DNA-Strang
Chromatin: Grundsubstanz der Chromosomen
Chromosom: Sie enthalten jeweils ein Molekül DNA, das mit Proteinen umgeben ist
diploid: Doppelter Chromosomensatz, 2n
DNA, DNS: Desoxyribonukleinsäure
Embryo: Unentwickelte, junge Pflanze, von der Samenschale umgeben
Embryokultur: Kultivierung von aus dem Nährgewebe von Samen herauspräparierten
Embryonen auf künstlichem Nährmedium in vitro und ihre Aufzucht zu Pflanzen
Eukaryonten: Organismen, deren Zellen in Kern und Plasma differenziert sind
Gentechnik: Komplex biochemischer und in-vitro-Methoden zur Isolierung,
Klonierung und Übertragung von Genen zur definierten Erzeugung genetischen
Materials
Haploide: Zellen, Gewebe oder Individuen, die nur einen Chromosomensatz auf-
weisen, wie sie für Gameten (Ei- oder Spermazelle) charakteristisch ist
Haploidentechnik: Erzeugung von Haploiden aus Antheren, Pollen, unbefruchteten
Samenanlagen auf künstlichem Nährmedium in vitro oder im Ergebnis spezieller
Artkreuzungen
Idiotyp: Gesamtheit der im Zellkern (Genotyp) oder im Zytoplasma lokalisierten
Gene eines Organismus
In_vitro: "Im Glas", Kulturgefäß, unter künstlichen Bedingungen. Aseptisch,
also frei von Bakterien- und Pilzinfektionen.
In-vitro-Kultur: Aseptische Kultivierung lebender Zellen, Gewebe und Organe
auf Nährmedium
In-vitro-Verklonung: Vegetative Vermehrung einzelner Individuen in vitro,
die eine genetisch identische Reproduktion beinhaltet
In_vivo: Im lebenden Organismus, am lebenden Objekt
Kallus: Unorganisierter Klumpen schwach differenzierter, teilungsfähiger
Zellen, die sich bei der In-vitro-Kultur von Organen, Pflanzenteilen,
Geweben, Zellen oder Protoplasten infolge erster Zellteilung bildet
Karyotyp: typische Chromosomenausstattung für alle Individuen einer Art.
Meristem: Zellverbände, die im Gegensatz zu Dauergeweben noch teilungsfähig
sind. Apikalmeristeme befinden sich an den Vegetationspunkten (Vegeta-
tionskegel des Sprosses)
Metaphase: Stufe der Mitose, bei der sich die Chromosomen in der Zell-Äqua-
tor-Ebene anordnen
Mitose: Zellkernteilung
Prokaryonten: Zellen ohne Zellkern, z.B. Bakterien, deren DNA-Strang im Plas-
ma schwimmt
Prophase: Erste Stufe der Mitose, Kondensation der Chromosomen
Protoplast: Kurzbezeichnung für "isolierter nackter Protoplast". Protoplasma
einer einzigen Zelle durch Entfernung der Zellulose-Zellwand
Protoplastenfusion: Verschmelzung zweier Protoplasten, die daraus entstehenden
Pflanzen werden somatische Hybriden genannt
Protoplastenkultur: Kultivierung isolierter Protoplasten auf Nährmedium
Somaklonale Variation: Genetische Instabilität von Zell- und Kalluskulturen
durch spontan mutierte Zellen
Somatisch: Jene Teile des Organismus und Prozesse, die mit der sexuellen Fort-
pflanzung zunächst nichts zu tun haben
Somatische Embryogenese: Bildung von Embryonen auf nichtsexuellem Wege aus
somatischem Gewebe oder einzelnen Zellen. Sie können unter bestimmten
Bedingungen in vitro ausgelöst werden.
Telomer: Sequenz am Ende eines Chromosoms
Telophase: letzte Stufe der Mitose, bei der die Chromosomen eine neue Kern-
hülle bekommen, Beginn der Dekondensation
Zellfusion: Verschmelzung somatischer Zellen im Verlaufe einer Zellkultur.
Bei Pflanzen ist das nur mit Protoplasten möglich.
Zellkultur: Kultivierung isolierter Zellen aus vielzelligen Organismen. Die
Zellen höherer Pflanzen bilden immer Aggregate (Zusammenballungen), weshalb
die Isolierung nur mit Protoplasten möglich ist.
Zygote: Befruchtete Eizelle mit diploidem Chromosomensatz.
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