Heterosis-Effekt

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Heterosis-Effekt bezeichnet in der Genetik, der Pflanzenzucht und Tierzucht die besonders ausgeprägte Leistungsfähigkeit von Hybriden (Mischlingen). Von einem Heterosis-Effekt wird immer dann gesprochen, wenn die beobachtete Leistung der ersten Filialgeneration (F1) höher ist als die durchschnittliche Leistung dieser Eigenschaft bei der Parentalgeneration (Elterngeneration). Ein als Heterosis identifizierter Leistungsschub von Mischlingen ist insbesondere dann sichtbar, wenn sie – so vorhanden – mit ihren reinerbigen Eltern verglichen werden. So kann der Heterosis-Effekt beispielsweise bei Getreide-Arten wie dem Mais oder Roggen sogar zur Verdopplung (und mehr) der Erträge im Vergleich zu solchen Eltern (Inzuchtlinien) führen. Hierbei sind allerdings die vorhergehenden Inzuchtdepressionen bei höheren Inzuchtgenerationen (…, I6) der Eltern zu berücksichtigen. Aus der Perspektive von wüchsigen Hybriden erkennt man im Minderwuchs von Inzuchtlinien deren Inzucht-Depression; aus der Sicht dieser Inzuchtlinien entsprechend die Heterosis (Hybridwüchsigkeit, Bastardwüchsigkeit) der Hybriden (Bastarde). Der Anteil der Hybridsorten ist in den letzten Jahrzehnten stark angestiegen. Außer der hohen Leistung kommt vor allem der Planbarkeit des Züchtungsergebnisses mit Hilfe der Genomik und dem Schutz vor Nachbau durch die Landwirte große Bedeutung zu. 1995 waren bei Brokkoli, Tomaten und Rosenkohl jeweils über 80 Prozent der Sorten Hybridsorten.

Diese heterotischen Hybriden sind mischerbig und homogen, entsprechend der ersten Mendelschen Regel (Uniformitätsregel). Danach sind die Individuen in der F1-Generation zweier reinerbiger Eltern, die ihrerseits unterschiedliche Allele eines Gens tragen, im Genotyp gleich. Dies beruht darauf, dass im doppelten Chromosomensatz je ein Allel von der Mutter und eines vom Vater stammt.

 P:
               A-b-C-d-E-F         a-B-c-D-e-F
               A-b-C-d-E-F    X    a-B-c-D-e-F
F1:
               A-b-C-d-E-F         a-B-c-D-e-F
               a-B-c-D-e-F         A-b-C-d-E-F    

Während in der P-Generation also alle chromosomalen Genorte (Loci) reinerbig besetzt sind (AA oder aa), sind sie in der F1-Generation alle mischerbig (Aa, Bb und so weiter) besetzt.

Die Erfahrung lehrt, dass bei Merkmalen wie Produktivität, Wüchsigkeit und ähnlichem die günstigen Allele eher dominant sind. Wenn sich nun die reinerbigen Eltern für die Verteilung reinerbig dominanter und rezessiver Allele komplementär unterscheiden, dann wird das Merkmal in der Hybride stärker günstig ausgeprägt sein als in jedem Elternteil. Es ist nicht so, dass reinrassige (reinerbige) Eltern weniger „gute“, dominante Allele tragen müssen als ihre Hybride. Es ist nur so, dass sie ihre allelen Gene in doppelter Dosis (eben homozygot, reinerbig) tragen, was wegen der dominanten Ausprägung des „guten“ Allels im Phänotyp „Verschwendung“ ist - während die Hybride die dominanten Allele nur mischerbig trägt; dafür hat sie aber ein dominantes Allel an den betreffenden Genen des einen und des anderen Elternteils, deckt also mehr Gene ab (eigentlich: mehr Loci).

Nutzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch genetisch möglichst unterschiedliche reinrassige Zuchtlinien der Parentalgeneration (= Elterngeneration) wird bei der Kreuzung erreicht, dass viele Allele der Kreuzungseltern unterschiedlich sind. Stark heterozygote Lebewesen verfügen über mehr verschiedene Erbanlagen als reinrassige. Sie sind oft widerstandsfähiger gegen Krankheiten und können sich besser auf wechselnde Umweltbedingungen einrichten. Nachteilige, rezessiv bedingte Eigenschaften werden zudem im Phänotyp der Hybride nicht (oder kaum) realisiert.

Hybridzucht wird vor allem zur Steigerung von Fertilitätsmerkmalen angewendet, die normalerweise eine niedrige Heritabilität haben, das heißt nur schlecht vererblich sind (Fruchtbarkeit bei Schweinen, Samenertrag bei Kulturpflanzen).

Genutzt wird die Hybridzucht z. B. bei Bienen, Schweinen, Hybridhühnern und im Pflanzenbau (Getreide, Mais).

Nach der zweiten Mendelschen Regel nimmt die Mischerbigkeit aber ab der zweiten Filialgeneration (F2) ab: jede Selbstbefruchtung von Hybriden senkt den Grad der Heterozygotie (und damit üblicherweise die Ausprägung der Heterosis der Merkmale) auf die Hälfte. Mildere Inzucht, etwa fortgesetzte Geschwister-Paarung bei Tieren, senkt den Grad der Heterozygotie weniger stark, aber nach vielen Generationen ebenfalls bis auf Null. Wenn sich die Nachkommen von Hybriden wie bei Tieren üblich durch Fremdbefruchtung fortpflanzen, dann erreichen sie einen eher normalen Zustand auf dieser Inzucht-Hybrid-Skala und sind dann weder inzüchtig noch hybrid. Wenn aber die Nachkommen von Hybriden, wie bei vielen Pflanzen (z. B. Gerste) üblich, sich durch Selbstbefruchtung fortpflanzen, dann verlieren sie mit den Generationen die Mischerbigkeit, sie werden reinerbig. Sie verlieren alles, was in der Ausgangshybride an Hybridwüchsigkeit vorhanden war. Der Heterosis-Effekt ist allerdings bei solchen Pflanzen von vornherein eher klein, sie verlieren über diese Generationenfolge also wenig.

Hinweis: Sind die zwei Eltern selbst Hybriden, dann realisieren sie selbst Heterosis und müssen aus heterotischen Gründen nicht weniger produktiv als ihr Kreuzungs-Nachkomme sein.

In der Maiszüchtung finden auch Dreiwegehybriden (Inzuchtlinie 1 x Inzuchtlinie 2) x Inzuchtlinie 3 Anwendung.

Heterosis beim Menschen?[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Intelligenzforscher wie Michael Mingroni ziehen Heterosis als Ursache für die stetige Zunahme der menschlichen Intelligenz, den sog. Flynn-Effekt, in Betracht.[1]

Der Heterosis-Effekt könnte beim Menschen auch zu höherer Attraktivität führen. So wurden in einer Studie der britischen Cardiff University Gesichter von Personen mit einem schwarzen und einem weißen Elternteil als attraktiver bewertet als Gesichter von Menschen bei denen beide Eltern dieselbe Hautfarbe hatten. Dieser Effekt war statistisch sehr signifikant, aber relativ klein. Jedoch waren dadurch gemischtrassige Gesichter unter den bestaussehenden Gesichtern deutlich überrepräsentiert.[2]

Historie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der deutsche Botaniker Joseph Gottlieb Kölreuter lieferte bereits 1766 eine erste Beschreibung dieses Phänomens. Bei seinen Untersuchungen von Tabak und Stechapfel beobachtete er, dass die Kreuzungsnachkommen eine gesteigerte Wüchsigkeit gegenüber den Elternpflanzen aufwiesen und das es einen Zusammenhang zwischen Stärke dieses Phänomens und Verschiedenheit der Eltern gab.[3]

Gregor Mendel beobachtete dies 1865 bei Erbsen und auch Charles Darwin berichtete 1876, dass Inzucht bei Pflanzen zu einer Verschlechterung, deren Kreuzung aber zu gesteigerter Vitalität führt.

Den Begriff Heterosis schlug 1914 der Pflanzengenetiker George Harrison Shull bei Vorlesungen in Göttingen vor, er leitete ihn dabei von heteros und osis ab.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG richtete 2002 das Schwerpunktprogramm Heterosis ein, um mit pflanzlicher Genomforschung zur Kausalanalyse dieses biologischen Schlüsselphänomens beizutragen und Grundlagen für dessen optimale Nutzung in der Pflanzenzüchtung zu erarbeiten.[4]

Im Rahmen des Themas Grüne Gentechnik[5] kündigte am 13. Mai 2009 der DFG-Präsident auf einer Pressekonferenz von DFG und DLG an, dass nun u.a. mithilfe gentechnischer Methoden die molekularen Ursachen der Heterosis aufgeklärt werden sollen.[6]

Die Universität Hohenheim richtete im September 2009 eine dreitägige internationale Konferenz Heterosis in Plants: Genetic and molecular causes and optimal exploitation in breeding aus.[7]

Am 1. September 2014 startete das fünfjährige Projekt ZUCHTWERT: Zuchtmethodische Grundlagen zur Nutzbarmachung von Heterosis in Weizensorten.[8] Es wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft mit insgesamt ca. 5 Millionen Euro gefördert, die sich auf mehrere Projektpartner verteilten. 655.370 Euro erhält das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Die Landessaatzuchtanstalt der Universität Hohenheim erhält hierfür 370.775 Euro und macht ZUCHTWERT damit zu einem Schwergewicht der Forschung an der Universität Hohenheim.[9] Die restlichen ca. 3,9 Millionen Euro verteilten sich[10] auf sechzehn Konzerne, Firmen und Organisationen[11], die sich in Deutschland mit der Weizenzucht beschäftigen.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Werner Odenbach: Biologische Grundlagen der Pflanzenzüchtung. Parey, Stuttgart, 1997, ISBN 3-8263-3096-X
  • Mireille Starke: Untersuchungen zur Heterosis der Belastbarkeit mittels DNA-Markeranalysen, Tenea Verlag, 2003, ISBN 3-86504-002-0
  • Dr. Dr. h. c. Hermann Kuckuck, Dr. Gerd Kobabe, Dr. Gerhard Wenzel: Grundzüge der Pflanzenzüchtung, Seite 51, De Gruyter, 1985, ISBN 3-11-008682-4
  • CIMMYT, 1997, Book of Abstracts, The Genetics and Exploitation of Heterosis in Crops, An International Symposium, Mexico, ISBN 968-6923-90-X
  • Dr. Sant S. Virmani: Heterosis and Hybrid Rice Breeding, Springer Verlag, 1994, ISBN 3-540-58206-1
  • Amarjit S. Basra: Heterosis and Hybrid Seed Production in Agronomic Crops, The Haworth Press, 1999, ISBN 1-56022-876-8
  • Dr. Rafael Frankel: Heterosis: Reappraisal of Theory and Practice, Springer, 1983, ISBN 978-3-642-81979-7
  • Arnel R. Hallauer, Marcelo J. Carena, J.B. Miranda Filho: Quantitative Genetics in Maize Breeding, Springer, 1988, Kapitel 10, ISBN 978-1-4419-0765-3

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Michael A. Mingroni (2007): Resolving the IQ Paradox: Heterosis as a Cause of the Flynn Effect and Other Trends. (PDF; 339 kB) Psychological Review 114 (3), S. 806–829.
  2. Michael B. Lewis: Why are mixed-race people perceived as more attractive? In: Perception. 17. Dezember 2009, S. 136-138, abgerufen am 29. September 2016 (englisch).
  3. Joseph Gottlieb Kölreuter: Vorläufige Nachricht von einigen das Geschlecht der Pflanzen betreffenden Versuchen und Beobachtungen, Band 3, 1766, Herausgeber W. Pfeffer
  4. DFG-Pressemitteilung Nr. 19: DFG richtet 16 neue Schwerpunktprogramme ein 17. Mai 2002, abgerufen am 11. September 2017.
  5. DFG-Broschüre: Grüne Gentechnik WILEY-VCH Verlag, ISBN 978-3-527-32857-4, abgerufen am 11. September 2017
  6. Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner: Vorstellung des Memorandums "Forschung in Freiheit und Verantwortung" zur Grünen Gentechnik. (PDF; 42 kB), S. 5., abgerufen am 11. September 2017
  7. Webseite der Universität Hohenheim: Konferenz Heterosis in Plants vom 7. - 9. September 2009, abgerufen am 11. September 2017
  8. Projekt-Steckbrief der Gemeinschaft zur Förderung von Pflanzeninnovation e.V., GFPi: Steckbrief ZUCHTWERT, (PDF; 72 kB), abgerufen am 11. September 2017
  9. Pressemitteilungen Bioökonomie-Projekte der Universität Hohenheim: Super-Weizen gesucht, Forscher starten Deutschlands größtes Weizenzucht-Projekt 29. April 2015, (PDF; 62 kB), abgerufen am 11. September 2017
  10. Fördermittel der ZUCHTWERT-Teilprojekte: Forschungsinformationssystem Agrar und Ernährung FISA, abgerufen am 11. September 2017
  11. Projektseite ZUCHTWERT