Resynthetisierter Raps als Modell zur Untersuchung der fixierten Heterosis bei allopolyploiden Pflanzen

Abstract

In der Evolution der Pflanzen spielte die spontane Hybridisierung verwandter Arten mit anschließender Entstehung von Allopolyploiden eine große Rolle. Auch unter den Kulturpflanzen sind allopolyploide Arten wie Brotweizen, Hafer, Baumwolle, Tabak und Raps weit verbreitet. Die hohe Leistungsfähigkeit allopolyploider Arten kann unter anderem mit günstigen Wechselwirkungen zwischen homöologen Genen der elterlichen Genome erklärt werden. Da diese Wechselwirkungen auch in homozygoten Allopolyploiden auftreten, können sie als fixierte Heterosis bezeichnet werden. Genaue experimentelle Daten zur fixierten Heterosis liegen bisher nicht vor, da die Leistungfähigkeit allopolyploider Arten neben fixierter Heterosis auch durch einen Ploidieeffekt beeinflusst werden kann und beide Effekte schwierig zu trennen sind. Hauptziele dieser Arbeit waren es daher, durch die Resynthese von Raps ( Brassica napus ; Genom AACC) aus seinen Ausgangsarten Rübsen ( Brassica rapa ; AA) und Kohl ( Brassica oleracea ; CC) ein geeignetes Material zur Untersuchung von fixierter Heterosis und Polyploidie herzustellen, beide Effekte zu quantifizieren und die Beziehung zwischen fixierter und klassischer Heterosis zu untersuchen.Für die Herstellung von resynthetisiertem Raps aus seinen Elternarten wurden jeweils acht vollständig homozygote Rübsen- und Kohllinien der Subspezies oleifera , pekinensis und trilocularis beziehungsweise alboglabra und botrytis verwendet. Insgesamt konnten 61 der 64 möglichen Resynthesen hergestellt werden. Der Erfolg der interspezifischen Hybridisierung hing dabei hoch signifikant von der verwendeten Mutterlinie ( B. rapa ) ab und lag im Mittel bei 0,46 Embryonen je bestäubter Knospe.Aus den selben homozygoten Rübsen- und Kohllinien wurden neben den Allopolyploiden auch Autotetraploide hergestellt, um den Effekt einer höheren Ploidiestufe der Allopolyploiden gegenüber ihren diploiden Elternarten zu bewerten. Hier konnten fünf tetraploide Rübsen- und zwei tetraploide Kohllinien hergestellt werden.Außerdem wurden alle Kohlgenotypen, alle Rübsengenotypen, sowie acht resynthetisierte Rapsgenotypen intraspezifisch diallel untereinander gekreuzt, um das Ausmaß der klassischen Heterosis in den verschiedenen Arten zu messen. Somit stand ein Material zur Verfügung, dass in bezug auf die beteiligten Gene beziehungsweise Allele vollständig balanciert ist, sich aber in Heterozygotiegrad (homozygot vs. heterozygot), Ploidiegrad (diploid vs. tetraploid) und Diversität der Genome (autotetraploid vs. allotetraploid) unterscheidet. Alle Genotypen wurden im Gewächshaus in Gitteranlagen mit mindestens neun Wiederholungen und 18 Pflanzen je Wiederholung ausgesät, um die oberirdische vegetative Biomasse nach 20 und 26 Tagen zu bestimmen. Die diploiden Ausgangslinien wurden außerdem molekulargenetisch mit RAPD Markern untersucht, um genetische Distanzen zu schätzen. Hier wurden bei Kohl 87 und bei Rübsen 159 polymorphe Banden für die Schätzung der genetischen Distanzen herangezogen.Die Höhe der Heterosis für Biomasse war bei Kohl und bei Rübsen für Kreuzungen innerhalb einer Subspezies mit der genetischen Distanz der Elterngenotypen hoch korreliert. Bei Kreuzungen von Genotypen verschiedener Subspezies sowie bei Kreuzungen zwischen Resynthesen gab es dagegen keinen Zusammenhang zwischen genetischer Distanz und Heterosis.Der allopolyploide Raps zeigte eine erhebliche Mehrleistung gegenüber seinen diploiden Elterngenotypen. Die fixierte Heterosis betrug im Durchschnitt 50% bezogen auf das Elternmittel beziehungsweise 8% bezogen auf den besseren Elter. Die Autotetraploiden zeigten dagegen eine Minderleistung zwischen 1% und 64% im Vergleich zu den diploiden Linien. Die klassische Elternmittel Heterosis betrug im Durchschnitt bei Rübsen 62% (33% gegenüber dem besseren Elter), bei Kohl 90% (75%) und bei resynthetisiertem Raps 20% (4%).Die Ergebnisse zeigen, dass die erhebliche Mehrleistung von resynthetisiertem Raps gegenüber seinen Ausgangsarten auf fixierter Heterosis beruht und nicht mit einer höheren Ploidiestufe erklärt werden kann. Eine Vorhersage der fixierten Heterosis auf Basis der klassischen Heterosis in den Elternarten scheint nicht möglich zu sein, da die fixierte Heterosis nicht mit der allgemeinen Kombinationsfähigkeit für klassische Heterosis in den Elternarten korreliert war. Bei der Betrachtung der klassischen Heterosis beim allopolyploiden Raps und seinen Elterngenotypen zeigt sich jedoch, dass resynthetisierter Raps, der schon einen Teil der heterotischen Wechselwirkungen als fixierte Heterosis genutzt hat, weniger klassische Heterosis zeigt, als seine diploiden Ausgangsarten. Dies führte dazu, dass die Resynthesen ihren Elterngenotypen zwar auf homozygotem Niveau überlegen waren, auf heterozygotem Niveau jedoch keine Mehrleistung gegenüber dem Elternmittel entsprechender Kreuzungen auf diploider Stufe zeigten. Der Vorteil allopolyploider Arten in der Evolution könnte somit nicht in erster Linie auf einer höheren Leistung beruhen, sondern mit einer höheren Toleranz gegenüber Homozygotie beziehungsweise Inzucht erklärt werden, die wiederum auf intergenomischer Heterozygotie beziehungsweise fixierter Heterosis basiert. Fixierte Heterosis stellt somit einen entscheidenden Faktor für die Etablierung allopolyploider Arten dar.