Landrassen machen Mais fit für Klimawandel  [01.08.19]

Es ist ein Schatz, der fast schon in Vergessenheit geraten ist: Von Hartmais gibt es in Europa tausende Landrassen mit einer riesigen genetischen Vielfalt. Doch der Maiszüchtung stand diese bisher nicht zur Verfügung, zu uneinheitlich war das Zuchtmaterial. Jetzt ist es Wissenschaftlern der Uni Hohenheim und ihren Kooperationspartnern gelungen, dieses Potenzial für die Züchtung zu erschließen. Sie kommen in ihren Eigenschaften dem Elite-Mais sehr nahe. Und sie könnten den Mais künftig fit machen für den Klimawandel.

In loser Folge präsentiert die Reihe „Schwergewichte der Forschung“ herausragende Projekte mit einem finanziellen Volumen von mindestens 350.000 Euro für apparative Forschung bzw. 150.000 Euro für nicht-apparative Forschung. Insgesamt akquirierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Uni Hohenheim 2018 für Forschung und Lehre 32,5 Millionen Euro an Drittmitteln.

Gelber Badischer Landmais, Strenzfelder, Lacaune oder Lizagarotte – europäischer Mais hat rund 5.000 Landrassen zu bieten. Diese Mais-Landrassen sind seit dem 16. Jahrhundert ohne systematische Züchtung entstanden, wurden bis in die 1960er Jahre angebaut – und sie sind oft besonders gut an ihre Umweltbedingungen angepasst. Ein Umstand, der in Zeiten des Klimawandels von besonderer Bedeutung ist.

Heute lagern diese genetischen Ressourcen vorwiegend in Genbanken. „Doch die Genbanken können leicht zum Friedhof werden“, erklärt der Hohenheimer Mais-Spezialist Prof. Dr. Albrecht Melchinger. „Die genetischen Ressourcen, die dort schlummern, sind jedoch verborgenes Gold, das man allerdings noch schürfen und läutern muss. Erst dann können wir das heutige Mais-Elitematerial mit den positiven Eigenschaften bereichern.“ Ein kürzlich abgeschlossenes Projekt dazu, ein Schwergewicht der Forschung an der Universität Hohenheim, hat das BMBF mit gut 365.000 Euro gefördert.


Kältetoleranz wichtig in Zeiten des Klimawandels

Früher standen bei der Maiszüchtung primär Ertrag und Qualität im Fokus. „Diesen Luxus können wir uns heute nicht mehr leisten“, so der Experte, „denn der Klimawandel bringt den Mais in die Bredouille.“ Häufigere Spätfröste setzen den Jungpflanzen zu, und frühe Hitzeperioden bereiten dem Pflanzenwachstum und der Pollenentwicklung Probleme.

„Würde der Mais besser mit tiefen Temperaturen klarkommen, könnte man früher aussäen und hätte durch den Wachstumsvorsprung bei der ersten Dürreperiode schon kräftigere Pflanzen“, erklärt Melchinger. Die Kältetoleranz sei daher heute ein wesentliches Merkmal in der Maiszüchtung. „Sinnvoll wären auch Sorten, die eine höhere Toleranz gegenüber Wasserstress aufweisen oder mit weniger Dünger auskommen – ohne dass man dabei die klassischen Züchtungsziele ganz aus den Augen verlieren sollte.“


Züchtung benötigt reinerbige Mais-Linien

Da kommen die robusten Landrassen ins Spiel. Will man sie nutzen, gibt es jedoch ein Problem: Sie sind außerordentlich heterogen, keine Pflanze gleicht genetisch einer anderen. Doch um leistungsstarke Hybriden zu züchten, benötigt man reinerbige Mais-Linien.

Mit einem Blick auf die Genetik erklärt Melchinger den Hintergrund: „Mais besitzt normalerweise zwei Chromosomensätze. Das heißt, die Träger der Erbanlagen, die Chromosomen, sind jeweils doppelt vorhanden – von jedem Elternteil eines. Bei den Landrassen sind die Eltern genetisch unterschiedlich, die Chromosomen unterscheiden sich – das Ergebnis sind gemischterbige, sogenannte heterozygote Pflanzen. Ihre Nachkommen haben daher sehr unterschiedliche Eigenschaften.“

Um aus den Landrassen reinerbiges Zuchtmaterial herstellen zu können, das in die Züchtung Eingang finden kann, verwendet Melchingers Arbeitsgruppe die Methode der sogenannten in vivo Haploideninduktion. Dazu säen die Forscher den Mais zunächst aus und bestäuben ihn mit speziellen Induktorgenotypen. Es entstehen rund drei Prozent Samenkörner mit nur einem Chromosomensatz – und das nutzen die Forscher.

Anhand der Farbausprägung des Embryos identifizieren sie diese Samen, lassen sie ankeimen und behandeln sie mit Colchizin. „Das bewirkt eine Verdopplung des vorhandenen Chromosomensatzes. Die daraus entstehenden Pflanzen haben dann zwei identische Chromosomensätze. Wir nennen das doppelhaploid.“ Den Wissenschaftlern gelingt es auf diese Weise, aus den Landrassen reinerbige Linien zu gewinnen.


Neue Mais-Linien im Test auf Kältetoleranz

„Das Gold ist damit geschürft. Im zweiten Schritt muss man es läutern“, veranschaulicht Melchinger. „Das heißt die Linien müssen nun im Hinblick auf ihre Kältetoleranz geprüft werden.“

Dazu führen die Wissenschaftler in Kooperation mit der KWS SAAT AG und der Technischen Universität München (TUM) unter der Projektleitung von Prof. Dr. Chris Carolin Schön mehrjährige Feldversuche durch und prüfen die Genotypen auf Ertrag und Qualität. „Aus 350 doppelhaploiden Linien aus sechs Landrassen haben wir 125 Linien ausgewählt und Testkreuzungen durchgeführt.“


Genetische Vielfalt der Landrassen bereichert Mais-Züchtung

Um die Besten zu finden, suchen die Forscher nach genetischen Bausteinen, die mit den gewünschten Eigenschaften einhergehen. Mais hat etwa 40.000 Gene, und 95 Prozent der Merkmale einer Pflanze werden von mehreren Genen bestimmt. „Wenn wir diese genetischen Muster kennen, können wir im Vorfeld die vielversprechendsten Kandidaten ermitteln und so die Züchtung beschleunigen.“

In sogenannten Trainings-Populationen prüfen die KWS SAAT SE, die TUM und die Uni Hohenheim rund 1.000 doppelhaploide Linien auf Kältetoleranz. Bei den meisten agronomisch wichtigen Merkmalen schneiden die Landrassen durchschnittlich um 25 bis 30 Prozent schlechter ab als moderner Hybridmais – doch einige Linien kommen dem Elite-Material sehr nahe.

„Diese genetische Vielfalt ist nun für die Züchtung erschlossen und steht ihr künftig zur Verfügung“, fasst Melchinger zusammen. „Das ist ein großer Schritt dahin, Mais fit zu machen für den Klimawandel.“


Projekt: Verbesserung quantitativer Merkmale durch Erschließung genomischer und funktionaler Diversität aus Mais-Landrassen (MAZE)

Das Projekt MAZE startete am 1.10.2016 und fand am 31.3.2019 seinen Abschluss. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert es über den Projektträger Jülich mit 365.195 Euro. Die Koordination des Gesamtprojekts liegt in der Hand von Prof. Dr. Chris Carolin Schön von der Technische Universität München (TUM). Weitere Projektpartner sind die Universitäten Bonn, Würzburg, Göttingen und Düsseldorf, das Helmholtz Zentrum München, das Forschungszentrum Jülich und die KWS SAAT SE.

Text: Elsner