Pflanzenzüchtung Teil 3

Diversität bedeutet, dass es eine Vielzahl von unterschiedlichen Organismen mit verschiedenen Merkmalen gibt. Diversität lässt sich auf mehreren Stufen beobachten. Die ökologische Diversität beschreibt die Vielzahl von unterschiedlichen Lebensräumen und Habitaten auf der Erde. Die Biodiversität beschreibt die Variation der Spezies innerhalb eines Ökosystems. Die genetische Diversität ist die genetische Variation aller Gene innerhalb einer Spezies, entweder zwischen Populationen dieser Spezies oder innerhalb einer Population. Die genetische Diversität ist dabei für die Pflanzenzüchtung ausschlaggebend, da nur auf dieser Ebene Kreuzungen durchgeführt werden können. Die genetische Variation innerhalb einer Spezies kann durch Kreuzung an die Nachkommen vererbt werden, und so können unterschiedliche vorteilhafte Merkmale von verschiedenen Eltern in der Nachkommenschaft kombiniert werden.  

Insgesamt lassen sich die Genpools in fünf Untergruppen aufteilen. 

• Der primäre Genpool umfasst alle Pflanzen, die uneingeschränkt miteinander gekreuzt werden können. Es kann eine perfekte Chromosomenpaarung erfolgen. Dieser Genpool enthält auch Varianten, Landsorten und das in den Genbanken gelagerte Material. 
• Der sekundäre Genpool kann ebenfalls noch eingekreuzt werden, jedoch entstehen hierbei Probleme bei der Chromosomenpaarung, die in diesem Fall nicht perfekt ist, was zu Schwierigkeiten mit der Fertilität der Nachkommen einer solchen Kreuzung führt. Das Problem kann aber zum Beispiel durch Rückkreuzung behoben werden, sodass uneingeschränkte Fertilität wiederhergestellt wird.
• Der tertiäre Genpool kann ebenfalls noch als Kreuzungselter dienen, die Nachkommen sind jedoch aufgrund der ungleichen Chromosomverteilung stets steril. Dies kann nur durch eine Verdopplung des gesamten Genoms behoben werde, (z.B. durch eine Colchicinbehandlung, was verhindert dass die Chromosomen bei der Zellteilung getrennt werden).
• Der quartäre Genpool besteht aus allen natürlich vorkommenden Allelen, die jedoch außerhalb der Kreuzungsbarriere liegen und nicht auf natürlichem Wege durch Kreuzung eingebracht werden. 
• Der quintäre Genpool umfasst alle künstlichen Allele.  

Die genetische Diversität kann zum einen anhand der Anzahl der Varianten beurteilt werden. Hierbei betrachtet man die Polymorphismen bzw. die Rate der Polymorphismen, die Proportion der polymorphen Loci und die durchschnittliche Anzahl an Allelen pro Locus. Zum anderen kann auch die Frequenz der verschiedenen Varianten betrachtet werden. Dann wird die Heterozygotie bzw. der Informationsgehalt der Polymorphismen, die durchschnittliche erwartete Heterozygotie oder die effektive Anzahl der Allele bestimmt.

Dabei muss beachtet werden, ob ein bialleler oder multialleler Marker verwendet wird und wie das Genom durch die Marker abgedeckt ist. Die Genotypen unterschiedlicher Individuen werden untersucht auf die darin vorkommenden Allele, und das Ergebnis der Markeranalyse wird in eine 1/0-Matrix eingetragen. Darin enthalten sind Informationen, ob ein Marker in einer bestimmten Ausführung in den untersuchten Individuen vorliegt. Aus dieser Matrix kann dann die Polymorphismusrate, der Anteil der polymorphen Loci, die durchschnittliche Anzahl von Allelen pro Locus und die Heterozygotie sowie die effektive Anzahl an Allelen bestimmt werden. 

Eine andere Herangehensweise beginnt auch wieder mit der DNA-Analyse und dem Eintragen der Ergebnisse in eine binäre Matrix. Daraus kann die genetische Ähnlichkeit abgeleitet werden, die dann durch Clustering-Methoden basierend auf der genetischen Ähnlichkeit bzw. der genetischen Distanz zu Abstammungsdiagrammen verarbeitet werden können.  

Die genetische Distanz d zwischen zwei Proben ist der Anteil genetischer Elemente (= Allele, Gene, Gameten, Genotypen) den die beiden Proben nicht gemein haben.  d = 1 falls die beiden Proben keine genetischen Elemente gemein haben. 

• Molekulare Marker werden zu zahlreichen Zwecken in der Pflanzenzüchtung verwendet.Dazu zählt auch die Beurteilung der genetischen Diversität im Keimplasma, dieOrganisation des Keimplasmas zum Beispiel in der Hybridzüchtung, das Auffinden von Verwandtschaften innerhalb eines Stammbaums oder dem Schutz der Variation der Pflanzen. 
• Die Anzahl der benötigten Marker nimmt zu mit den folgenden Methoden:
  • Gruppierung von Genbank-Neuzugängen
  • Kernsammlungen
  • Fingerprinting von Inzuchtlinien
  • Nachweis von Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb eines Stammbaums
  • Clustering und Principal Coordinate Analyse
  • Klassifizierung von Inzuchtlinien in heterotische Gruppen

-->Je ähnlicher sich die zu untersuchenden Pflanzen werden, desto mehr Marker müssen untersucht werden, um einen Unterschied feststellen zu können.  

Quantitative Variation eines Merkmals tritt dann auf, wenn dieses Merkmal durch mehr als nur ein Gen beeinflusst wird. Wird also von den zahlreichen Genen, die jeweils einen kleinen Effekt auf das Merkmal haben, jedes einzelne nach den Mendel’schen Regeln vererbt, so erhalten die Nachkommen viele unterschiedliche Kombinationen dieser Gene und zeigen somit viele unterschiedliche Phänotypen, deren Unterschiede untereinander allerdings nur recht klein sind wenn sich nur wenige Gene unterschieden und mit der Anzahl der sich unterscheidenden Gene durch deren kumulativen Effekt zunehmen. Des Weiteren spielen hier auch Interaktionen zwischen Genen eine Rolle. Der Einfluss des Genotyps formt dann zusammen mit den Einflüssen der Umwelt den jeweiligen Phänotyp. 

Diese Studien wollen herausfinden, wie viele Gene ein Merkmal beeinflussen und wo diese Gene auf dem Genom liegen. Ihr Effekt und ihre Vererbung sollen bestimmt werden und ihre Funktion verstanden werden. Wenn all diese Dinge bekannt sind, kann man die QTL klonen und auf sie selektieren. 

Biparentale Kreuzung:

Hierbei werden zwei homozygote Eltern miteinander gekreuzt um eine heterozygote F1Generation zu erzeugen. Diese kann entweder durch Selbstung eine F2-Generation erzeugen, die aufgrund von Rekombination unterschiedlich lange Teilstücke des einen Genoms im genetischen Hintergrund des anderen Genoms trägt. Hierbei handelt es sich jedoch um heterozygote Pflanzen. Um Nachkommen zu erhalten, die homozygot bezüglich des ausgetauschten Stück DNAs sind, muss man entweder durch wiederholte Selbstungen rekombinante Inzuchtlinien oder doppelt haploide Pflanzen erzeugen.

Introgressionslinie:

Bei dieser Methode erfolgt wieder die Kreuzung zweier homozygoter Eltern zu einer heterozygoten F1-Generation. Aus dieser wird dann durch Rückkreuzung oder Selbstung und Marker-gestützter Selektion eine Introgressionslinie erzeugt. Das bedeutet, dass in dieser Linie jeweils ein kurzes Stück DNA des einen Elter das homologe Stück im Genom des anderen Elter ersetzt, ohne dass weitere Rekombination stattgefunden hat. Durch das Züchten zahlreicher solcher Introgressionslinien kann dann stückchenweise das in kurzen Abschnitten eingeführte Genom abgesucht werden für solche Abschnitte, die ein QTL bezüglich des gewünschten Merkmals tragen. Dies ist ersichtlich daran, dass die Pflanzen die gewünschten Merkmale der eingekreuzten Pflanze tragen.  

Zunächst braucht man eine segregierende Population, deren Phänotypen und Genotypen festgestellt werden müssen. Anschließend wird durch eine statistische Analyse untersucht, ob ein Zusammenhang zwischen den beiden besteht, d.h. ob zum Beispiel ein bestimmter Marker häufig/fast immer zusammen mit einem bestimmten Merkmal auftritt. Wenn dem so ist, dann ist dieser Marker geeignet für die Identifizierung eines QTL. 

Die Kopplung eines QTL mit einem Marker kann festgestellt werden, indem sowohl die Genotypen (also die interessanten Marker wie z.B. SNPs) als auch die dazugehörigen Phänotypen einer segregierenden Population festgestellt werden. Die Phänotypen werden dann entsprechend der dazugehörigen Ausprägung des Markers geordnet und der Mittelwert der Gesamtpopulation sowie der jeweiligen Teilpopulationen mit dem einen oder anderen Marker bezüglich des zu untersuchenden Merkmals ermittelt. Wenn bei einem Marker eine signifikante Abweichung der jeweiligen Gruppe bezüglich des Merkmals vom Mittelwert der Gesamtpopulation zu beobachten ist, so ist der Marker mit einem QTL gekoppelt, der das Merkmal beeinflusst. Ergibt sich auch in den Teilpopulationen mit den unterschiedlichen Markern jedoch ein Mittelwert, der dem der Gesamtpopulation ähnlich ist, so herrscht keine Kupplung zwischen dem Marker und dem QTL für dieses Merkmal. 

Die QTL-Kartierung wird beeinflusst von der Anzahl der untersuchten Proben, der Anzahl der betrachteten Umwelten und der Signifikanzgrenze. Diese Parameter beeinflussen sowohl die Macht des Tests für die Detektion von QTL als auch die Genauigkeit und Präzision der QTL-Parameter und die Lokalisierung der QTL.

Je mehr Stichproben und Umwelten betrachtet werden und je höher die Signifikanzgrenze gewählt wird, desto größer ist die Anzahl von echten QTL die detektiert werden und die Anzahl der falsch Positiven und der falsch Negativen nimmt ab.