Grapefruit Ruby Red 2

Mutationszüchtung: Das Spiel mit dem Zufall

Erbgut ist nichts Statisches. Bei jeder Zellteilung verändert es sich. Solche Mutationen sind die Triebfedern der Evolution und die Grundlage für die äußeren Unterschiede zwischen Organismen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts ist es ein in der Züchtung weit verbreitetes Verfahren, künstlich ungerichtete, zufällige Veränderungen im Erbgut von Pflanzen auszulösen. Dafür kann man erbgutverändernde Chemikalien einsetzen, aber auch ionisierende Strahlen.

Bestrahlungsanlage für Mutationszüchtung

Strahlenquelle in der Mitte. Solche offenen Anlagen zur Muationszüchtung wie diese in Japan sind heute nicht mehr üblich.

Mutationszüchtung 2018

Noch immer viel Mutationszüchting: Anzahl registrierter Sorten in der gemeinsamen Datenbank von Welternährungsorganisation (FAO) und Atomenergiebehörde (IAEA). Bei 87 Prozent der registrierten Sorten wurden die Mutationen physikalisch durch Bestrahlung ausgelöst, bei 13 Prozent chemisch.

Großes Foto oben: Ruby Red Grapefruit. Beliebt, aber gezüchtet mit erbgutverändernder Bestrahlung.
Foto: Wikimedia, CC BY-SA 2.5.

Natürliche Mutationsraten: Zum Beispiel Ackerschmalwand

Pro 100.000 Basenpaaren (DNA-„Buchstaben“) kommt etwa eine Mutation vor. Bei einer Genomgröße von 130 Millionen Basenpaaren macht das etwa 1300 zufällige Mutationen pro Generation. Zum Vergleich: Das Genom der Kartoffel besitzt eine Größe von 466 Millionen Basenpaaren, das von Weizen sogar 17 Milliarden.

Bei allen Lebewesen treten unablässig Mutationen auf, zufällige, bleibende Veränderungen im Erbgut. Die Ursache dafür sind Fehler, wie sie bei jeder Zellteilung entstehen, wenn der DNA-Strang aufgeteilt, neu kombiniert und weitergegeben wird. Solche Fehler können aber durch äußere Faktoren ausgelöst werden, etwa die kurzwellige UV-Strahlung der Sonne oder die Strahlung radioaktiver Substanzen, die natürlicherweise in der Erdkruste und der Atmosphäre vorkommen. Sie führen zu Brüchen im DNA-Strang. Bei der folgenden zelleigenen Reparatur entstehen Abweichungen von der ursprünglichen DNA-Abfolge - Mutationen. Bei Pflanzen treten von einer Generation zu nächsten mehrere Tausend davon auf - alle zufällig und im einzelnen nicht bekannt (siehe Kasten).

Viele dieser Mutationen haben keine Auswirkungen oder führen dazu, dass das betreffende Individuum geschädigt ist und deshalb weniger Nachkommen als seine Artgenossen hat oder nicht überlebensfähig ist. Nur etwa ein Prozent aller Neumutationen bringen ihrem Träger eine neue Eigenschaft ein, die für ihn von Vorteil ist. Dieses eine Prozent ist eine Grundlage der Evolution.

Anfang des 20. Jahrhunderts erkannte man, dass Mutationen durch verschiedene äußere Einwirkungen hervorgerufen werden können. In den 1930er Jahren kam dann die Mutationszüchtung (Mutagenese) auf, bei denen man Pflanzensamen Röntgen- oder Neutronenstrahlen aussetzt und anschließend bei den ausgewachsenen Pflanzen nach neuen, für die Züchtung interessanten Eigenschaften sucht.

In den 1960er Jahren gründeten die Welternährungsorganisation (FAO) und die Internationale Atomenergiebehörde (IAEA) eine gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsabteilung, die bis heute Mutationszüchtung an Nutzpflanzen betreibt. Weltweit sind über 3200 neue Sorten auf diese Weise gezüchtet worden. Dazu zählen beispielsweise ein Großteil der Hartweizensorten, die für die Herstellung von Pasta verwendet werden, aber auch viele andere Getreidesorten, Obst, Gemüse und Hülsenfrüchte. So sind etwa die Ausgangslinien der heute sehr beliebten rosafarbenen Grapefruit-Sorten (Star Ruby, Ruby Red) vor Jahrzehnten durch Strahlenbeschuss entstanden.

Mutationszüchtung ist immer ein ungerichtetes „Schrotschussexperiment“: Wenn Pflanzen ionisierender Strahlung oder erbgutverändernden Chemikalien ausgesetzt werden, sollen möglichst viele und „extreme“ Mutationen ausgelöst werden. Wie viele es sind, wo es im Genom geschieht und welche Gene davon betroffen sind, ist zufällig und im einzelnen nicht bekannt. Die Züchter hoffen, dass unter diesen unzähligen Mutationen auch solche sind, die zu neuen oder verbesserten Eigenschaften führen. Und genau diese Pflanzenindividuen müssen sie finden, meist in aufwändigen Untersuchungsreihen (Screening).

Doch die Ziel-Mutation wird immer auch mit „Nebenwirkungen“ erkauft. Solche Zufallsmutationen betreffen etwa Genregionen, in denen vorhandene, auch weiterhin erwünschte Eigenschaften der jeweiligen Kulturpflanze codiert sind. Damit diese Eigenschaften nicht verloren gehen, müssen Pflanzen mit der „richtigen“ Mutation in einem langwierigen Prozess mit unbehandelten Pflanzen rückgekreuzt werden. Die meisten Mutationen bleiben jedoch unerkannt, da sie sich nicht in äußeren Veränderungen (Phänotyp) niederschlagen. In einzelnen Fällen sind als Folge solcher Mutationen ungewollt Nahrungspflanzen entstanden, in denen schädliche Stoffe gebildet wurden, beispielsweise bei Kartoffeln. Mit den heutigen molekularbiologschen Verfahren (Sequenzanalyse) ist es inzwischen möglich, die ausgelösten Mutationen auf DNA-Ebene (Genotyp) zu untersuchen.

Auch wenn in großer Zahl zufällige, unkontrollierbare Veränderungen im Erbgut ausgelöst werden, wird diese „klassischen“ Mutationszüchtung als konventionelle Züchtung angesehen, die keiner besonderen gesetzlichen Regulierung unterliegt. In den Gentechnik-Gesetzen wird Mutagenese ausdrücklich als ein Verfahren genannt, das nicht unter die Gentechnik-Vorschriften mit ihren weitgehenden Zulassungs- und Kennzeichnungspflichten fällt.

Bei den neuen Genome Editing-Verfahren, die nur eine punktuelle Mutationen an einem genau bekannten Ort im Genom herbeiführt, ist dagegen noch nicht klar, ob sie wie die zufällige Mutationszüchtung unreguliert bleiben oder unter die strengen Gentechnik-Gesetze fallen.