Züchtungsmethoden - ein Lernzirkel

Dieser Lernzirkel deckt inhaltlich das Wahlthema "Klassische Methoden der Züchtung" aus der Lehrplaneinheit "Angewandte Biologie" ab. Es werden die Methoden der klassischen Genetik, die ja nicht mehr im Lehrplan für die Kursstufe enthalten sind, aufgegriffen und damit wiederholt Darüber hinaus ist wichtiges biologisches Grundwissen wie Bau von Blüten und Samen mit eingebaut. Die vier Stationen des Zirkels bauen nicht zwingend aufeinander auf, d. h. die Schüler können an jeder beliebigen Stelle des Zirkels beginnen.

Zeitdauer: ca. 4 Schulstunden.

Materialien: Lehrbücher der Unter- und Oberstufe

Station 1

• Blütenmodell
• Verschiedene Getreidearten: Schaukasten, getrocknete Pflanzen oder Körner
• Pflanzen oder gute Abbildungen verschiedener Kohlsorten

Station 2

• Äpfel: Jonagold, Jonathan, Golden Delicious
• Pflanzenkataloge verschiedener Firmen

Station 3

• Maiskolben
• Samentüten von F1 – Hybriden (Tomate, Salat ....)

Station 4

• eingeweichte Bohnensamen, Pinzette, Messer, Lupe
• Modell oder Abbildung der Metaphase der Mitose
• Modelle oder Abbildungen von Meiosestadien

1. Auslesezüchtung

Die Ernährung der Menschheit hängt von einer Handvoll Pflanzenarten ab. Nachdem der Mensch zunächst Wildpflanzen angebaut und Wildtier-junge aufgezogen hatte, begann er schon früh mit der Auslesezüchtung, um besonders ertragreiche Nutz-pflanzen und kräftige Tiere zu gewinnen. Dabei nutzte er unbewusst die genetische Variabilität der Lebewesen. Er wählte diejenigen Lebewesen zur Weiterzucht aus, die besonders erwünschte, günstige Merkmale zeigten. Damit betrieb er künstliche Zuchtwahl. Dabei war es eine besondere Leistung des menschlichen Geistes, zu erkennen, dass die schönsten und größten Samen und Früchte nicht verzehrt werden dürfen, sondern für die Aussaat aufbewahrt werden müssen.

Zu unseren wichtigsten Nutzpflanzen zählt das Getreide.

1. Nennen Sie sechs wichtige Getreidearten.(Welche Getreidearten sind hier ausgestellt ?)
2. Welche Zuchtziele werden beim Getreide allgemein angestrebt?

Tierhaltung machte es unseren seßhaft gewordenen Vorfahren möglich ihren Fleischvorrat zu decken. Dazu war es notwendig Tiere mit geeigneten Eigenschaften aus Wildtieren zu züchten.

3. Wählen Sie aus obenstehender Tabelle drei Tierarten aus, und geben Sie an, welche Zuchtziele vom Menschen angestrebt wurden.

Um auslesen zu können, braucht man eine Mischung von Lebewesen mit verschiedenen Formen und Eigenschaften. Hat man Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften gefunden, so sind reinerbige Linien besonders begehrt, weil sie über Generationen hinweg konstante Ergebnisse bringen. Reinerbige Linien entstehen in der Natur manchmal ohne menschliches Zutun: Bei selbstbefruchtenden Pflanzen (z.B. Erbse, Bohne, Gerste, Weizen) werden die Samenanlagen durch den eigenen Pollen befruchtet.

4. Zeichnen und beschriften Sie den Längsschnitt durch eine Blüte ihrer Wahl !
5. Zeigen Sie am Blütenmodell, wie eine künstliche Bestäubung vor sich geht !
6. Zeigen Sie am Modell / an ihrer Zeichnung den Unterschied zwischen Bestäubung und Befruchtung !
7. Erklären Sie die Begriffe Modifikation, Variationskurve und Sorte !
8. Warum ist bei einer reinen Linie Auslese überflüssig ?
9. Warum tendieren heterozygote, selbstbefruchtende Pflanzen in der Folgegeneration zur Homozygotie? Entwerfen Sie einen Erbgang bis zur dritten Generation und stellen Sie die Ergebnisse für homo- und heterozygote Individuen prozentual in einer Tabelle zusammen! Gehen Sie dabei von monohybriden heterozygoten Pflanzen aus.

Auslesezüchtung war über Jahrtausende die einzig bekannte Züchtungsmethode. Gut untersucht ist die Entstehung der Kohlsorten, von denen wir heute eine große Anzahl als Nutzpflanzen kennen.

10. Benennen Sie die abgebildeten Kohlsorten A - E und geben Sie für jede Sorte Veränderungen im Vergleich zum Wildkohl an.

2. Kombinationszüchtung

Die Kombinationszüchtung nutzt die Erkenntnisse Gregor Mendels. So kann man durch Kreuzung zweier reinerbiger Pflanzen, von denen jede ein anderes vorteilhaftes Merkmal hat, Nachkommen züchten, bei denen diese Merkmale gemeinsam auftreten.

Dies soll am Beispiel der Süßlupine, einer Futterpflanze, aufgezeigt werden. Die bitterstofffreie Süßlupine besaß Hülsen, die beim Ernten platzen. Die darin enthaltenen eiweißreichen Samen, die besonders wichtig als Tiernahrung sind, fielen aus und blieben auf dem Ackerboden zurück. Dies führte zu erheblichen Ernteverlusten. Daher kreuzte man die Süßlupine mit einer Bitterstoffe führenden Rasse, die aber platzfeste Hülsen besaß. Die erste Tochtergeneration bestand ausschließlich aus Pflanzen mit dem Bitterstoff und platzenden Hülsen. In der F2-Generation konnte man mit der Auslese bitterstofffreier Pflanzen mit platzfesten Hülsen für die Weiterzucht beginnen.

1. Geben Sie den Erbgang der Süßlupine von der P-Generation bis zur F2- Generation an.
2. Wie hoch ist der Prozentsatz der gewünschten Pflanzen in der F2- Generation?
3. Welche Arbeitsschritte muss ein Züchter bei der Kreuzung der P-Generation aus führen? Geben Sie eine exakte Arbeitsanleitung.

Durch Kreuzungen können auch erwünschte Eigenschaften verstärkt oder unerwünschte Merkmale unterdrückt werden. Stellen Sie sich vor, Sie könnten Zuckerrüben, Tomaten, Erdbeeren und Pfirsiche nach Ihren Vorstellungen züchten.

4. Welche Eigenschaften würden Sie durch Kombinationszüchtung verstärken, welche abschwächen wollen? Wo unterscheiden sich nach ihrer Vorstellung die Wünsche des Landwirts von denen des Verbrauchers?

Viele unserer bekannter Äpfel sind durch Kreuzung verschie- dener Sorten entstanden. So wurde die Sorte Jonagold Anfang der fünfziger Jahre in den USA aus den beiden Sorten Golden Delicious und Jonathan gezüchtet. Jonagold hat ein ausgewogenes Zucker- Säure- Verhältnis und wird deshalb als ansprechender schmeckend beschrieben als die eine Ausgangssorte Golden Delicious.

5. Suchen Sie aus den ausliegenden Pflanzenkatalogen zwei interessante Beispiele für Kombinationszüchtung heraus, und geben Sie die jeweiligen Zuchtziele an.

3. Heterosiszüchtung

Bei der Kreuzung verschiedener Sorten von Nutzpflanzen oder verschiedener Linien von Haustieren beobachten Züchter oft eine gesteigerte Wüchsigkeit und eine größere Vitalität der F₁-Bastarde (siehe Schulbuch). Diesen Effekt nennt man Heterosis. Bei der Heterosiszüchtung versucht man zunächst, durch Inzucht weitgehend homozygote Individuen zu gewinnen. Man erzeugt also reine Linien. Bei fremdbestäubten Pflanzen geschieht dies durch mehrjährige künstliche Bestäubung, selbstbestäubende kann man sich selbst überlassen. Kreuzt man unterschiedliche reine Linien miteinander, so zeigen die Hybriden oft den Heterosiseffekt. Die Nachkommen der F₂-Generation zeigen die Heterosis nicht mehr oder nur abgeschwächt. Deshalb muss man die Hybriden immer wieder neu aus den reinen Linien gewinnen, die ständig weitergezüchtet werden. Die Hybriden sind die zum Anbau verwendeten Nutzpflanzen, die Reinerbigen verwendet man zur Herstellung des Saatguts.

1. Stellen Sie die oben geschilderten Zusammenhänge über drei Zuchtpflanzengenerationen übersichtlich grafisch dar. Verwenden Sie dabei alle oben genannten Begriffe.

Es hat sich gezeigt, dass der Heterosiseffekt um so ausgeprägter ist, je mehr homozygote Allelenpaare bei den Eltern vorliegen. Beim Mais erhält man beim Anbau von F1-Hybriden besonders hohe Erträge.

Die reinen Linien 1 und 2 haben jeweils drei dominante, den Ertrag fördernde Gene auf zwei Chromosomenpaaren verteilt.

2. Wie müsste der Genotyp der reinen Linie II aussehen, um einen optimalen Heterosiseffekt zu erreichen? Begründen Sie Ihre Annahmen!
3. Geben Sie den Genotyp der Hybridpflanzen an.

Die Forschung konnte noch nicht alle Vorgänge erklären, die zur Heterosis führen. Eine Hypothese zur Erklärung des Heterosisvorteils ist, dass Pflanzen, die an mehreren Genorten zwei unterschiedliche Allele haben, mehr unterschiedliche Genprodukte und damit einen leistungsfähigeren Stoffwechsel ausweisen als Pflanzen, mit überwiegend identischen Allelen.

Master - Fleischtomate

4. Wie hat der erfolgreiche Züchter die hervorragende Sorte "MASTER – Fleischtomate" gewonnen?
5. Worauf beruht ihre üppige Ausbildung?

... Auf der Habenseite können die Hybriden eine rapide Ertragsverbesserung und den entsprechenden Gewinn der Farmer für sich verbuchen. Ihr Manko besteht in der Instabilität ihres Erbguts; sie produzieren unbrauchbaren oder unfruchtbaren Samen. Die Farmer können nicht mehr wie früher einen Teil ihrer Ernte für die nächste Aussaat verwenden, sondern müssen sich ihr Saatgut jedes Jahr neu kaufen. ... (nach Mooney: "Saat-Multis und Welthunger").

6. Was wird geschehen, wenn ein Hobbygärtner im nächsten Jahr Samen aus der diesjährigen Tomatenernte der Sorte "Master" als Saatgut verwendet? Was hat das zur Folge? Begründen Sie Ihre Antwort!

4. Mutationszüchtung

Natürlich auftretende Mutationen haben in der Evolution der Kulturpflanzen eine wichtige Rolle gespielt. Züchter haben solche natürliche Mutanten schon früh genutzt und ausgelesen. Mutationszüchtung als jüngere Methode der Kulturpflanzengewinnung wurde erst möglich, nachdem man erkannt hatte, dass sich die natürliche Mutationsrate künstlich steigern lässt.

1. Durch welche Faktoren kann die Mutationsrate erhöht werden?

Insgesamt ist der Anteil der Mutanten mit positivem Zuchtwert verschwindend gering (weit unter 1%!), weitaus die meisten Mutationen sind nachteilig, viele sogar letal. Aber die Mutationen führen zur Entstehung eines Genpools, der als Ausgangsmaterial für Kreuzungsversuche dient. Man erhielt so eine frühreife Reissorte mit höherem Eiweißgehalt, sowie eine Maissorte, die mehr Lysin (essentielle Aminosäure) als andere enthält. Beide Sorten sind für die menschliche Ernährung höherwertig als die Ausgangsformen.

2. Zählen Sie die verschiedenen Mutationstypen auf ! Nennen Sie je ein Beispiel!
3. Stellen Sie eine begründete Hypothese wodurch die hier beschriebenen Verbesserungen bei Reis und Mais hervorgerufen werden ?

Vielversprechend ist die Mutationszüchtung bei der Suche nach Parallelmutationen. Kennt man beispielsweise Kurzstrohsorten beim Weizen, so kann man auf ähnliche Mutanten bei anderen Getreidearten hoffen, bei denen dann in entsprechenden Genen Veränderungen mit gleicher oder ähnlicher Wirkung auftreten könnten. Man konnte so, Kurzstrohsorten des Hafers und der Gerste züchten.

4. Geben Sie eine Erklärung für das Auftreten ähnlicher Gene und damit entsprechender Mutationen bei nahe verwandten Arten.

Nutzt man bestrahlte Pollen zur Bestäubung, so können Allele mit dominanter Ausprägung schon in der nächsten Generation erkannt und ausgelesen werden.

5. Geben Sie dafür eine Erklärung !
6. Wie kann man Individuen mit neu aufgetretenen Allelen mit rezessiver Genwirkung erkennen?

Bei Samen, die man mit Mutagenen behandelt, können Mutationen im somatischen Gewebe oder im Keimbahngewebe des Embryos auftreten. Die nachstehenden Abbildung zeigt verschiedenen Teile eines Bohnensamens.

7. Suchen Sie in der Abbildung gezeigten Strukturen A – F ! Um die Strukturen D und E sehen zu können müssen Sie die Samen schälen und der Länge nach spalten. Benennen Sie die Strukturen A - F und erläutern sie deren Aufgabe !
8. An welcher Stelle des Keimlings muss sich eine Mutation ereignen, die sich auf Folgegenerationen auswirkt?

Bei der Behandlung mit Colchicin, das bei der Mitose und Meiose die Ausbildung des Spindelapparates verhindert und damit auch die sich normalerweise direkt anschließende Zellteilung, gelingen z. B. Veränderungen des ganzen Chromosomensatzes, sogenannte Polyploidisierungen. Polyploide Formen zeigen oft gesteigerte Erträge, es werden mehr und / oder größere Früchte gebildet. So sind Gartenerdbeeren und Gartenhimbeeren jeweils polyploid, im Gegensatz zu den kleinfrüchtigen Walderdbeeren und Waldhimbeeren. Durch Polyploidisierung hat man auch triploide Zitronen, triploide Zuckerrüben und tetraploide Birnen erhalten.

9. Wie entsteht Polyploidie ?
10. Entwerfen Sie eine Hypothese, welche die gesteigerten Erträge bei polyploiden Pflanzen erklären kann.
11. Warum sind triploide Pflanzen nicht fortpflanzungsfähig ?
12. Warum sind bei manchen Kulturpflanzen (s.B. Orangen) die Früchte triploider Pflanzen vom Konsumenten besonders begehrt ?
13. Wie können triploide Pflanzen vermehrt werden ?

Erwartungshorizont

1. Auslesezüchtung

1. Getreide: Weizen, Roggen, Gerste, Hafer, Mais, Reis, Hirse
2. Zuchtziele: Ertragssteigerung, Qualitätsverbesserung, Halmfestigkeit, gute Erntefähigkeit, Resistenz gegen Kälte, Trockenheit und Krankheiten; gleiche Reifezeit.
3. Beispiele:Kaninchen: Fellfarbe, Haarlänge, Ohrenform. Huhn: Hohe Legeproduktion, Schnellwüchsigkeit, Verbesserung der Fleischqualität. Pferd: Schnelligkeit, Sprungvermögen, Ausdauer Katze: Zutraulichkeit, Fellfarbe. Schwein: Gute Futterverwertung, Steigerung der Fruchtbarkeit, Krankheitsresistenz, Verbesserung der Fleischqualität. Rind: Steigerung der Milchqualität, siehe Schwein. Schaf: Verbesserung der Wollqualität, Toleranz gegen ungünstige Witterung.Ziege: Verbesserung der Milchqualität. Hund: Größe, Aussehen, Verhaltenseigenschaften.
4. Blüte mit Kelchblättern, Blütenblättern, Staubgefäßen und Stempel
5. Entfernen der Staubgefäße, Bestäubung des Stempels mit Hilfe eines Staubgefäßes einer anderen Blüte
6. Bestäubung: Pollen gelangt auf die Narbe Befruchtung: Verschmelzung von Samenzelle (im Pollenkorn) und Eizelle (im Fruchtknoten. Damit die Samenzelle zur Eizelle gelangen kann, muss ein Pollenschlauch auswachsen.
7. Modifikation: Umweltbedingte Veränderung des Phänotyps (fließend und umschlagend).Variation: Erbgleiche Individuen unterscheiden sich voneinander auf grund unterschiedlicher Einflüsse von innen oder außen. Sorte: Kulturpflanzen, die sich durch morphologisch oder physiologische Eigenschaften von anderen Formen innerhalb der Art unterscheiden und diese Sortenmerkmale auch bei geschlechtlicher und ungeschlechtlicher Vermehrung beibehalten.
8. Alle Individuen einer reinen Linie haben nahezu die gleiche Erbinformation.
9. Bei monohybridem Erbgang:

Begründung bis zur F2-Generation:

10. A: Weiß-/Rotkohl Sprossachse gestaucht, Blätter verdickt. B: Rosenkohl Seitentriebe gestaucht. C: Blumenkohl Sprossachse gestaucht, Blütenstand fleischig verdickt, Anzahl der Blüten erhöht.D: Grünkohl Blätter gekräuselt. E: Kohlrabi Sprossachse verdickt Sprossachse = Stängel

2. Kombinationszüchtung

1. Legende: B bitterstoffführend, b bitterstofffrei, P platzende Hülsen, p platzfeste Hülsen

   Parentalgeneration: BBpp x bbPP

   F1-Generation: BbPb Þ bitterstoffführend und platzende Hüllen

2. Der gesuchte Genotyp ist bbpp Þ 6,25%.
3. Der Züchter muss bei einer reinerbigen Pflanze mit Bitterstoff und platzfesten Hülsen (BBpp) vor dem Aufblühen die Knospe öffnen und die Staubbeutel entfernen. Er nimmt dann aus einer aufgeblühten Blüte einer bitterstofffreien Pflanze mit platzenden Hülsen (bbPP) die Staubbeutel und bestäubt damit die Narbe der ersten Pflanze. Zur Sicherheit sollte er dann noch die Narbe der künstlich bestäubten Pflanze abdecken, um eine weitere (natürliche) Bestäubung mit anderem Pollen auszuschließen.

5. Beispiele:

Medana Tayberry: Kreuzung zwischen Brombeere und Himbeere

Zuchtziele: größere Früchte, Himbeer- und Brombeergeschmack in einer Frucht

Jostabeere: Kreuzung zwischen Johannisbeere und Stachelbeere

Zuchtziele: große, saftige, haarlose Früchte

3. Heterosiszüchtung

1. Mögliche grafische Darstellung

2. Die reine Linie II muss sich in allen Genen gegenüber der reinen Linie I unterscheiden
3.  

4. Kreuzen zweier möglichst unterschiedlichen reinen Linien. z.B.: Reine Linie 1: Guttragende Fleischtomate mit großen Früchten, kräftiger Wuchs. Reine Linie 2: Guttragende Tomate mit glatten runden Früchten, gesunder Wuchs. Üppige Ausbildung wegen Heterosiseffekt .
5. Mögliche Erklärung für den Heterosiseffekt: bei Hybriden ist die Zahl der Allele erhöht und die Pflanzen weisen dadurch ein breiteres Reaktionsspektrum auf.
6. Der Heterosiseffekt geht verloren, da die "günstigen" Anlagen wieder aufspalten. Deshalb muss im nächsten Jahr wieder Saatgut gekauft werden, das diesen Heterosiseffekt aufweist.

Mutationszüchtung

1. Chemikalienz. B. Teerstoffe, Aflatoxine, Benzol, Nitrit Strahlung z. B. UV, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung erhöhte Temperatur
2. Genmutation: z. B. Albinismus Chromosomenmutation: z. B. Katzenschreisyndrom Genommutation: z. B. Trisomie21
3. Durch Genmutationen, weil nur einzelne Merkmale verändert wurden.
4. Nahe verwandte Arten haben von gemeinsamen Vorfahren das entsprechende Gen (z.B. Gen für 'langes Stroh') 'geerbt'. Mutagene können bei gleichen Genen ähnliche Wirkung auslösen. Deshalb könnte es gelingen, durch Mutagene bei dem ursprünglichen Gen 'Strohlänge' eine Mutation auszulösen, die denselben Effekt 'kurzes Stroh' hat wie bei der natürlichen Mutation beim Weizen. (Dabei ist mit vielen negativen Mutanten zu rechnen!)
5. Die bestrahlten Pollen der P-Generation tragen bereits die neue Anlage. Da sie dominant ist, kommt sie in der F₁- Generation zur Ausprägung und kann somit dort erkannt werden.
6. Durch Selbstbefruchtung erhält man in der Folgegeneration homozygote, rezessive Mutanten.
7.  

8. Nicht bei Mutationen im somatischen Gewebe (A-F): Hier sind nur die sich entwickelnden Pflanzenteile dieses Samens betroffen. Die Mutation muss in den Keimzellen der sich später entwickelnden Pflanze erfolgen (Blüte).
9. Bei der Zellteilung (Mitose / Meiose) unterdrückt das Colchicin die Ausbildung des Spindelapparates und die Zellteilung unterbleibt. Mitose: Die Chromatiden werden nicht auseinandergezogen, danach aber wie bei einer normal ablaufenden Mitose ergänzt. Es entsteht eine Zelle mit doppelt-diploidem (= tetraploidem = polyploidem Chromosamensatz). Meiose: Die homologen Chromosomen können nicht auseinander gezogen werden. Sie bleiben als Paar erhalten. Es entsteht eine diploide Keimzelle.
10. Erhöhte Chromosomenzahl Þ erhöhte RNA-Synthese Þ erhöhte Eiweißsynthese Þ größere Erträge.
11. Bei ungeraden Chromosomenzahlen gibt es bei der Meiose Probleme bei der Paarung der homologen Chromosomen d.b. Keimzellenbildung ist nicht möglich.
12. In den Früchten entstehen keine störenden Samen.
13. Durch vegetative Vermehrung

Autoren: Karin Ilg, Sabine Schatte, Gabrielle Rupp

Webbearbeitung: Walter Bogner