Pflanzenzüchtung von Gehölzen am Beispiel der Rebe

Die Züchtung neuer Sorten bei Lebensmitteln stellt eine Schlüsseldisziplin in der Anpassung an den Klimawandel dar. Doch manche Nutzpflanzen lassen sich einfacher züchten als andere. Bei Weinreben ist die Züchtung zum Beispiel eine Herausforderung. Warum das so ist und mit welchen Strategien Forschung und Züchtung vorgehen, darum geht es in diesem Beitrag.

Nicht nur stellen die klimatischen Bedingungen an sich die Landwirtschaft vor große Herausforderungen, auch die    klimabedingte Migration von Virus-übertragenden Insekten (Vektoren), Schadinsekten generell sowie die Ausbreitung von weiteren Schaderregern (Pilze, Bakterien) durch veränderte klimatische Bedingungen, präsentieren sich für die Pflanzenzüchtung und vor allem die Landwirte, als umfassende Schwierigkeiten. Besonders intensiv bekämpft werden pilzliche Schaderreger. Der Weinbau ist die Kultur mit der höchsten Ausbringung von Fungiziden in Europa, obwohl er nur einen geringen Teil der EU-Anbauflächen einnimmt.¹

Doch die Züchtung von Weinreben (und anderen Gehölzen) ist ein zeitintensives Unterfangen. Denn eine Rebe, die aus einem Samen gezogen wird, trägt erst nach etwa drei Jahren Früchte und kann entsprechend erst dann hinsichtlich ihrer Wuchs- und Geschmackseigenschaften bewertet werden. Aber der Reihe nach:

Zeitreisen mit Wein

Reben werden nachweislich seit über 7.000 Jahren angebaut. Die frühesten Hinweise auf die Verarbeitung von Wein wurden nach heutigem Stand im Nahen Osten und Kaukasus gefunden.² Bekannte Rebsorten wie ‚Traminer weiß‘ (‚Savagnin blanc‘) und seine Spielarten (bspw. ‚Gewürztraminer‘), also Mutationen der Ursprungsform, sind vermutlich über 2000 Jahre alt³. Studien konnten zeigen, dass diese Rebsorte seit mindestens 900 Jahren in Frankreich vertreten ist. Samenfunde von Rebsorten, die in einer direkten Nachkommenschaft zu ‚Savagnin‘ stehen, konnten allerdings sogar auf 100 n. Chr. datiert werden.⁴ Wer heute einen ‚Traminer‘ trinkt, konsumiert also wahrscheinlich noch nahezu den gleichen Wein, den vor 2000 Jahren die Römer tranken!

Die Züchtung von Wein – früher und heute

Dass sich an Wein im Laufe der Geschichte so wenig geändert hat, liegt daran, dass Weinreben vegetativ vermehrt werden. Das heißt, man schneidet im Winter die verholzten Triebe ab und jeweils in Stücke, die zwei Knospen tragen, sogenannte Zwei-Augen-Stecklinge. Steckt man die untere Knospe in Anzuchterde und gibt dem Holz Wärme, Wasser und Luftfeuchtigkeit, treibt die vergrabene Knospe Wurzeln aus, während die obere Knospe Blätter ausbildet. Somit hat man eine Kopie, einen Klon (altgr. κλών klon, deu. Zweig), der Rebsorte. Die Züchtung von Reben geht also mehrere Jahrtausende zurück. Doch während es heute um Eigenschaften wie Widerstand gegen Pathogene (Krankheitserreger) und Schadinsekten geht, waren bis ins 19. Jahrhundert die Verbesserung des Ertrags und andere Anbauqualitäten im Fokus. Beispielsweise wurde die zweihäusige Rebe (d. h. dass eine Pflanze vollständig weibliche bzw. männliche Blüten hat) auf zwittrige (hermaphroditische) Blüten selektioniert, sodass durch Selbstbestäubung ein hoher Ertrag gewährleistet wird.

Pilze, Insekten, Spaziergänger – Die Feinde des Weins und wie sie bisher bekämpft werden

Erste Kreuzungen mit Ausrichtung auf die Resistenz gegenüber Schaderregern erfolgten ab Beginn des 19. Jahrhunderts mit den Rebsorten ‚Isabella‘ (1816) und ‚Catawba‘ (1819). Dabei wurde die amerikanische Wildart Vitis labrusca mit der europäischen Kulturrebe V. vinifera gekreuzt ^{5 6 7}. In Europa hielt die Züchtung resistenter Rebsorten 1878 Einzug. Dies geschah in Folge der Einschleppung verschiedener Schaderreger. Denn mit dem Transport amerikanischer Reben nach Europa gelangten nach und nach auch die heute weit verbreiteten Erreger der Erkrankungen „Falscher- und Echter Mehltau“ sowie die Reblaus hier hin. ⁸

Reblaus und die beiden Mehltau-Arten führten zu erheblichen Ernteverlusten. Während man der Reblaus durch Pfropfung (Veredeln) von reblausresistenten Unterlagen (sie befällt u. a. die Wurzeln und führt zum Absterben der Rebe) entgegenwirken konnte, stellten die Erreger des Echten und Falschen Mehltaus die Winzer vor erhebliche Probleme. Erst der Zufallsfund der fungiziden Wirkung von Kupfer, führte dazu, dass Winzer dem Erreger des Falschen Mehltaus, Plasmopara viticola, die Stirn bieten konnten.

Französische Winzer versuchten, dem Ernteverlust durch naschende Spaziergänger, entgegenzuwirken. Dabei trugen sie jeweils auf die ersten Stöcke einer jeden Rebzeile eine Kupfer-Vitriol-Mischung auf, wodurch die Reben eine bläuliche, unappetitliche Färbung erhielten. Dabei konnte beobachtet werden, dass die mit der sogenannten „Bordeauxbrühe“ behandelten Reben keine typischen Symptome für Falschen Mehltau entwickelten.^{9 10 11}

Bis heute wird Kupfer als Pflanzenschutzmittel eingesetzt, bis in die 2000er Jahre in erheblichen Mengen, und reichert sich in den Böden an. Erst 2002 wurde durch die Europäische Union eine Begrenzung der Kupfer-Ausbringung festgeschrieben.^{12 13 14}

Pflanzenschutz im Weinbau – auch heute noch problematisch

Doch während der konventionelle Weinbau sich im Kampf gegen den Echten- und Falschen Mehltau vermehrt systemischen Mitteln zuwandte, haben Kupferverbindungen als nicht-systemische Pflanzenschutzmittel im Bio-Weinbau noch ihren Platz.¹⁵ Unter systemisch versteht man Pflanzenschutzmittel, die in das pflanzliche Gewebe eindringen und dort für eine gewisse Zeit verbleiben. Nicht-systemische Mittel bedecken lediglich die Oberfläche und werden so schnell durch Regen abgewaschen. Dies ist vor allem bei Kupfer-Verbindungen problematisch, da Kupfer sich im Boden anreichert und nicht nur durch antibakterielle Wirksamkeit das Mikrobiom beeinflusst, sondern auch die Fruchtbarkeit der mehrzelligen Organismen wie Regenwürmer und Laufkäfern hemmt, wodurch es zu einem Schrumpfen der Population beiträgt.^{16 17 18 19 20}

Um den Kupferverbrauch zu minimieren und dennoch den Ertrag zu sichern, werden verschiedene Hilfsmittel herangezogen. Zum einen wird die Ausbringung der Pflanzenschutzmittel stark am Wetter orientiert. Hierfür gibt es Wetterstationen in den verschiedenen Weinlagen und darauf basierende Prognosemodelle (http://www.vitimeteo.de) für hohe Sporenbelastung, sodass protektiv agiert werden kann (Bleyer et al., 2008).²¹ Zum anderen wird an neuen Methoden geforscht, wie man das nahezu direkte Abwaschen des Kupfers bei Regen verzögern kann. Beispielsweise werden Kupfer-Ionen in einem biobasierten Mikrogel, das für bessere Haftung auf der Pflanze sorgt, gebunden und damit auf die Pflanzen aufgebracht.²²

In regnerischen Jahren wie bspw. 2016 und 2021 gab es in manchen Weinbauregionen im ökologischen Weinbau Ernteausfälle von 70-100 %. Aber nicht nur der Erreger des Falschen Mehltaus (P. viticola) setzte den Winzern 2021 zu. Spätfrost verringerte den Ertrag schon zum Jahresanfang mancherorts um 30 %.²³

Je nach Zeitpunkt des Austriebbeginns können Spätfröste erheblichen Einfluss auf den späteren Ernteertrag haben, da sie zum Absterben der Knospen führen können. Aber auch andere abiotische Faktoren wie Trockenheit und Sonneneinstrahlung können zu Schäden der Reben und ihrer Früchte führen.

Man kommt im Großen und Ganzen also nicht darum herum, die Reben, die teils über 2000 Jahre in ihrer derzeitigen genetischen Komposition existieren, mittels Züchtung an die sich ändernden Bedingungen anzupassen.

Resistenz von innen – Züchtung als Lösung

Dies war bis vor einigen Jahrzehnten lediglich durch jahrelange Beobachtung und Kartierung der Beobachtungen möglich. Heute bieten sich durch die Verrechnung der Beobachtungen mit molekularbiologischen Informationen neue Möglichkeiten, um bestimmte bekannte Eigenschaften nachzuweisen und neue zu entdecken  (Markergestützte Selektion). Das bedeutet, man kennt heute häufig den Zusammenhang zwischen vorteilhaften Eigenschaften und den entsprechenden genetischen Informationen, was die Auswahl möglicher Kreuzungspartner erleichtert.

Die Züchtung von Reben und anderen Gehölzen ist ein sehr zeitintensives Unterfangen. Zunächst wird nach Möglichkeit im Feld erfasst, welche Reben besondere Eigenschaften tragen, beispielsweise werden P. viticola-reiche Jahre wie 2016 und 2021 genutzt, um in Genbanken (Flächen mit vielen verschiedenen Arten zum Arterhalt) nach resistenten Pflanzen zu suchen.

Fällt eine solche ins Auge, wird es dem Züchter gemeldet, welcher die Rebe für Experimente in die Kreuzungs-Planung aufnimmt. Im Frühjahr werden dann die als männliche Pflanzen (Samen-Donoren) zu nutzenden Reben (häufig hermaphroditisch, also mit beiden Geschlechtsmerkmalen) mit Folie eingepackt, um einen „Treibhauseffekt“ zu schaffen und somit eine frühe Reifung des Pollens zu ermöglichen. Der Pollen wird gesammelt und bis zur Befruchtung der als weiblich zu nutzenden Rebe aufbewahrt. Die weibliche Rebe wird kurz vor der Blüte, dem Abfallen der sogenannten Blüten-Käppchen, kastriert. Das heißt, den hermaphroditischen Blüten werden die Samenblätter mit einer Pinzette abgenommen, sodass es zu keiner Selbstbestäubung kommt. Nun kann man sich vorstellen, dass so ein Bündel Trauben, wie man es im Supermarkt erhält, nicht von Beginn an so groß angelegt ist. Ein Geschein (so nennt man die Rispe mit den Blüten, die später zu Trauben werden), ist etwa 5 cm lang, 3 cm breit und trägt ~100 Blüten. Um Pfingsten herum, wenn die Blüten der meisten Reben gut zu entfernende Käppchen haben, sitzen also alle freien Kräfte im Feld und kastrieren tausende dieser stecknadelkopfgroßen Blüten. Mehrere tausend Gescheine werden für die Züchtung von ihren Staubblättern befreit und bis zur künstlichen Befruchtung in Papiertüten gepackt, damit es zu keiner falschen Bestäubung kommt. Nach der gezielten Bestäubung mit einem Pinsel oder Überziehen einer mit Pollen gefüllten Tüte und Schütteln, reifen die Beeren heran und werden im Herbst geerntet. Die Samen werden ausgewaschen und ab Januar in Anzuchterde gesteckt. Sobald die Pflanzen eine gewisse Größe erreicht haben, werden genetische Markeranalysen durchgeführt. Es wird also auf DNA-Ebene untersucht, welche bekannten Eigenschaften die Reben schon tragen. Beispielsweise Resistenzeigenschaften, aber auch Farbe und Geschlecht werden überprüft.

Ein großes Problem bei der Züchtung von Reben, sind die Fehlaromen, die häufig neben den Resistenzeigenschaften von Wildreben mitvererbt werden. Diese müssen nach Einkreuzung einer Resistenz mühsam herausgekreuzt (Rückgekreuzt) werden.

Die Identifikation neuer Eigenschaften – auch mit neuesten Methoden noch eine Herausforderung

Wenn es jedoch um neue Eigenschaften geht, werden Versuchsreihen durchgeführt, sobald die Reben groß genug sind. Bei Resistenzeigenschaften handelt es sich dabei bspw., je nach Erreger, um Blattscheibentests. Dafür werden den Pflanzen Blätter abgenommen, aus denen definierte Blattstücke mit einem Korkbohrer herausgeschnitten und in eine feuchte Kammer gelegt werden. Diese werden dann mit dem zu testenden Erreger versetzt und nach einer bestimmten Inkubationszeit wird jeder Blattscheibe abhängig vom Infektionsgrad ein Zahlenwert zugeordnet (bspw. entsprechend OIV 452 und 452-1, franz.: Organisation Internationale de la Vigne et du Vin). Dieser beschreibt die Befallsstärke. Die Zahlenwerte werden anschließend mit dem genetischen Fingerabdruck (Markerdaten) der Rebe verrechnet, wodurch ein Bereich ermittelt werden kann, innerhalb welchem sich die Gene befinden, die etwas mit der Resistenz zu tun haben. Diesen Bereich bezeichnet man als QTL, quantitative trait locus (quantitativer Merkmalslokus). Hat man einen Bereich grob eingrenzen können, werden innerhalb des Bereichs weitere Marker entwickelt und überprüft, ob deren Ergebnisse in Korrelation zur Resistenz stehen, um dadurch den Locus immer kleiner werden zu lassen und auf möglichst wenig Gene zu begrenzen. Je besser eine solche „Feinkartierung“ erfolgt, desto weniger Gene sind letztlich zu überprüfen. Die verbliebenen Gene können, so denn eine Sequenz vorliegt, hinsichtlich ihrer Eigenschaften analysiert werden.

Doch da die Genetik der Rebe hoch divers ist, ist es schwierig, passende Marker für die zu testende Rebe zu entwickeln (vgl. Arbeiten von Dario Cantu, UC Davis). Denn bisher sind nur wenige Reben vollständig sequenziert (entschlüsselt) und assembliert (d. h. die Sequenzstücke werden zu langen Sequenzen oder gar ganzen Chromosomen zusammengebaut). Wodurch man nur wenig Daten hat, auf deren Grundlage Marker entworfen und Gene identifiziert werden können. Das bedeutet, dass für eine Identifikation des Resistenzgens die Rebe oder zumindest der Locus, in dessen Bereich die Resistenz liegt, sequenziert werden muss. Auch wenn dies in der öffentlichen Diskussion oft als einfache und geläufige Technik dargestellt wird, stehen dahinter sehr viel Arbeit und noch mehr Schwierigkeiten.

Daher sind bisher bei der Rebe erst wenige Resistenzgene identifiziert und ihre Auswirkung nachgewiesen worden. Denn um nachzuweisen, dass dieses Gen, das potentiell verantwortlich ist für Resistenzeigenschaften, tatsächlichen Einfluss hat, muss es entweder in einer Gewebekultur inaktiviert oder in eine anfällige Gewebekultur (bspw. ‚Riesling‘ oder ‚Müller Thurgau‘) eingebracht werden. Was bei der Rebe wiederum einige Jahre in Anspruch nehmen kann. Sobald aus der Gewebekultur eine gesunde in vitro Pflanze (Pflanze im Reagenzglas auf Nährmedium) erwachsen ist, kann diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften überprüft und so nachgewiesen werden, ob und wie das inserierte oder deletierte (eingefügte oder inaktivierte) Gen einen Einfluss auf den Phänotypen der Pflanze hat. Erst dadurch kann eine Aussage über die Relevanz des Gens getroffen werden.

Kreuzung, Klonen, Genschere: Mit welchen Methoden lässt sich Wein am besten züchten?

 Blick auf Züchtungsmethoden:

• Klassische Züchtung (unter Nutzung Markergestützter Selektion)
• Klonzüchtung
• Genomeditierung
• Genetische Modifikation (cisgen und transgen) 

Bis heute wird in der Rebenzüchtung hauptsächlich klassisch gezüchtet und zur Identifikation von potentiellen Resistenzträgern eine Markergestützte Selektion, wie oben beschrieben, durchgeführt.

Die Nutzung von neuen züchterischen Möglichkeiten wie CRISPR/Cas-Systemen wird stark diskutiert und allgemein eher abgelehnt, obwohl sich viele Forschende und Forschungsverbände positiv dazu äußern und ein Umdenken fordern. Speziell in Bezug auf die Rebe wurde bspw. 2021 eine Publikation veröffentlicht, die zeigt, dass das CRISPR/Cas-System äußerst spezifisch für diese Pflanzengattung nutzbar ist.²⁴

Doch mit dem Wunsch der Verbraucher und der Winzer hinsichtlich resistenter traditioneller Rebsorten bleibt nur ein theoretisch möglicher Weg als Alternative zur Genomeditierung offen, welche jedoch nur bedingt Abhilfe schaffen kann: Klonzüchtung.

Die Rebe hat als Gehölz den Vorteil, dass sie vegetativ vermehrt werden kann. Sodass u. a. die Hochschule Geisenheim sich auf die Klonzüchtung spezialisiert hat und hierbei auch Klone traditioneller Rebsorten (bspw. ‚Müller Thurgau‘ und ‚Riesling‘) identifizieren konnte, die widerstandsfähiger gegen den Schaderreger Botrytis cinerea sind, als die verbreiteten Klone.²⁵ Dabei werden Hölzer von traditionellen Rebsorten angepflanzt und hinsichtlich möglicher neuer Eigenschaften, die sich durch spontane Mutation ergeben, untersucht. Dies ist ein langwieriger Ansatz, der einen großen Flächenverbrauch mit sich bringt und wie auch die Rebenzüchtung selbst viel Platz und Zeit beansprucht.

Doch auch mit CRISPR wurden bisher wenige Verbesserungen der Resistenz der Rebe erzielt. Ein positives Beispiel bietet die Rebsorte ‘Thompson Seedless‘ (‘Sultanina‘), deren Früchte als Tafeltrauben im Supermarkt bekannt sind. Hier konnte mittels CRISPR/Cas ein Gen inaktiviert werden, welches für die Anfälligkeit der Rebe gegenüber dem Erreger des Echten Mehltaus verantwortlich ist.²⁶ Aber hier, wie auch in anderen Publikationen, konnte gezeigt werden, dass ein solcher Ansatz auch zu einem verminderten Wachstum der Rebe führen kann, wenngleich der positive Einfluss, zunehmende Widerstandsfähigkeit, nachgewiesen werden konnte.²⁷ 

Im Hinblick auf die genetische Modifikation der Rebe müssen drei Punkte bedacht werden:

1. Die europäische Kultur-Rebe ist hoch anfällig für die aus Nordamerika eingeschleppten Schaderreger.
2. Die Resistenzen stammen aus Wildarten, die nur durch langes Rückkreuzen ohne schlechte Aroma-Noten genutzt werden können.
3. Daraus resultierend ist die Genetik der jüngeren Rebsorten extrem vielfältig und die Resistenzgene können nicht durch einzelne kleine Mutationen, wie sie mittels CRISPR/Cas erfolgen, erzeugt werden.

Das heißt, eine cisgen- bzw. transgen-Mutation (Einbringen artgleicher und artfremder Gene) wäre möglicherweise erfolgversprechender als sich auf CRISPR/ Cas-Systeme zu konzentrieren. Mit transgen sind hier nicht andere Pflanzen wie Sonnenblumen, sondern andere Rebarten wie Vitis amurensis, V. cinerea oder V. rupestris gemeint (mit welchen seit fast 200 Jahren klassisch gekreuzt wird).

Doch bisher sind diese neueren Verfahren umfassenden Regularien unterworfen und finden entsprechend in der Züchtung keine Verwendung. Wenngleich es zu erwähnen gilt, dass zumindest ein häufiges Argument gegen genetische Modifikation bei verholzenden oder Ableger-bildenden Pflanzen hier umgangen würde: Jedem wäre es möglich, diese Pflanzen zu nutzen, da es im Grunde reicht, sich ein Stück Holz abzuschneiden.

Hinsichtlich der Herausforderungen des Klimawandels, wie steigenden Temperaturen,  Zunahme und Intensivierung der Sonnenstunden, sowie den immer länger werdenden Trockenperioden und deren Folgen, stellt sich die Frage, ob es zukünftig ausreichend ist über 30 Jahre auf eine neue Rebsorte zu warten (ungefähre Dauer vom Samen bis zur Sortenzulassung), da zunächst alle weinbaulichen Qualitäten geprüft werden müssen. Oder ob es nicht eine Möglichkeit darstellen könnte, etablierte Sorten mittels der verfügbaren und von der Wissenschaft als sicher eingestuften molekularbiologischen Werkzeuge zu optimieren und somit möglicherweise Zeit und Ressourcen zu sparen.

Wer aktiv etwas zur Verringerung von Pflanzenschutzmitteln beitragen möchte, kann bei seiner Weinauswahl zu sogenannten Piwi-Weinen (PilzWiderstandsfähig) greifen. Einige dieser Rebsorten mit verringertem Pflanzenschutzbedarf (bspw. ‚Calardis blanc‘ und ‚Sauvignac‘), kann man im Internet unter dem Stichwort Piwi (z.­ B. hier: https://piwi-international.de/ueber-piwi/piwi-rebsorten) finden.

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Sophia Müllner

Sophia Müllner hat Biologie studiert und sich während ihres Studiums mit verschiedenen Schaderregern in der Landwirtschaft auseinandergesetzt. Zuletzt forschte sie im Rahmen ihrer Promotion zur Abwehrreaktion resistenter Reben gegen den Erreger des Falschen Mehltaus.
Seit 2021 ist sie Mitglied im Öko-progressives Netzwerk e. V. und engagiert sich für eine progressive Agrarwende.

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• Pflanzenzüchtung von Gehölzen am Beispiel der Rebe - 18. Januar 2023

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