Sterile Reishybride: Killer- und Beschützergene schuld

Kreuzt man ein Pferd mit einem Esel, entsteht ein Maultier, das nicht mehr fortpflanzungsfähig ist. Das Phänomen, dass aus zwei fortpflanzungsfähigen Individuen ein lebensfähiger, aber steriler Nachkomme hervorgeht, ist nicht auf die Tierwelt beschränkt.

In der pflanzlichen Hybridzucht, bei der ebenfalls zwei verschiedene Arten miteinander gekreuzt werden, wird der Heterosis-Effekt ausgenutzt, der – im Vergleich zu reinerbigen Lebewesen – zu mehr Vitalität und Leistungsfähigkeit führt. So kann der Heterosis-Effekt beispielsweise bei Getreide-Arten wie dem Mais eine Verdopplung der Erträge mit sich bringen.

Manche Arten sind jedoch nach der Kreuzung so inkompatibel, dass ihre Nachkommen zwar lebensfähig und ertragreich sind, sich jedoch nicht weitervermehren können. Auch die Weitergabe von Genen an die nachkommende Generation ist bei sterilen Pflanzen unterbunden – sie sind somit für evolutionäre Prozesse nicht von Bedeutung.

Inkompatible Arten durch veränderte Allele

Die genetische Grundlage der Inkompatibilität formulierten die Wissenschaftler Dobzhansky und Muller bereits in den 1930er Jahren. Demnach verändert sich in je einer Population mindestens ein Allel, das gut im eigenen genetischen Kontext funktioniert. Wenn jedoch beide veränderten Allele in Hybriden zusammen kommen, kommt es zu einer negativen Interaktion, die beispielsweise sterile Hybride zur Folge hat.

Vorteil und Nachteile für Züchter und Landwirte

Auch beim Kulturreis – Oryza sativa L. – entstehen bei einer Kreuzung der beiden Unterarten indica und japonica gewöhnlich sterile Nachkömmlinge. Das bringt, je nach Betrachtungsweise, Vor- und Nachteile mit sich. Landwirte, die mit den ertragreichen Hybriden arbeiten, müssen ihr Saatgut jedes Jahr wieder neu beziehen. Aber auch nicht sterile Hybride eignen sich nicht zum Nachbau, wenn der Ertragsvorteil gegenüber den Nicht-Hybriden weiterhin erhalten bleiben soll. Da diese in genetisch heterogene Linien aufspalten verliert sich der Züchtungsfortschritt der Hybridsorte. Für Züchter bringt die Sterilität der Hybride eine wirtschaftlich erwünschte Komponente mit sich: Sterile Hybridsorten lassen sich per se nicht nachbauen. Damit wird ein weitgehender Schutz des geistigen Eigentums ihres Züchters gewährleistet.

Für den Züchtungsprozess selbst bedeutet die Sterilität aber auch einen Nachteil. Im Gegensatz zum Anbau in der Landwirtschaft birgt die Aufspaltung der Nachkommen eine züchterisch interessante genetische Vielfalt. Diese geht mit den sterilen Nachkommen unweigerlich verloren. Eine gezieltere Steuerung der Prozesse z.B. durch ein wahlweises Zu- und Abschalten der Sterilität wären eine sinnvoll nutzbare Option. Allerdings gab es derartige Ansätze in der Vergangenheit bereits mittels gentechnischer Methoden. Als „Killerpflanzen“ erlangte dieses Zwei-Komponenten-System Barnase – Barstar eine medial zweifelhafte Berühmtheit.

Killer und Wachdienst machen steril

Ein kürzlich im Fachmagazin Science veröffentlichte Studie erklärt nun die möglichen Gründe für die Sterilität der indica-japonica Reishybride: Ein ausgeklügeltes System aus drei Genen verhindert, dass sich die Reishybride fortpflanzen können.

Für ihre Untersuchungen nahmen die Wissenschaftler den S5 Locus im Reiserbgut, der bereits zuvor mit sterilen Hybriden in Verbindung gebracht worden war, unter die Lupe. Dort fanden sie drei eng miteinander verknüpfte Gene (ORF3, ORF4 und ORF5), die die Fortpflanzungsfähigkeit in indica-japonica Reishybriden steuern. Dabei ist ORF5 das „Killergen“ und ORF4 sein Partner, die bei den Reishybriden aus indica und japonica weibliche Gameten abtöten, während ORF3 den beschützenden Wachdienst übernimmt, der versucht, dies zu verhindern. Die Forscher vermuten, dass ORF5 ein Molekül produziert, das von ORF4 aufgespürt wird und zu einem leicht erhöhten Stress im Endoplasmatischen Retikulum führt. Dadurch wird ORF3 aktiviert, welches das Endoplasmatische Retikulum stabilisiert.

Dieses Killer-Wachschutz-System unterliegt der Sterilität von Hybriden dieser beiden Reisarten, so die Wissenschaftler. Sie vermuten außerdem, dass nicht-tödliche Kombinationen von ORF4 und ORF5 den Gentransfer von indica-japonica Hybriden auf ihre Folgegenerationen ermöglichen. Die Studie lieferte wichtige Grundlagen, mit denen in Zukunft eventuell nicht sterile Reishybride erzeugt werden könnten.
Quelle:
Yang, J. et al. (2012): A Killer-Protector System Regulates Both Hybrid Sterility und Segregation Distortion in Rice. In: Science, Vol. 337 no. 6100 pp. 1336-1340, online 14. September 2012, DOI: 10.1126/science.1223702.