DIE ERGEBNISSE DER MUTATIONSZÜCHTUNG
Die Mutationszüchtung kann uns die wichtigsten Ergebnisse der Mutationsforschung noch weiter verdeutlichen.
Mehrere Autoren weisen auf eine "widely spread disappointment regarding mutation breeding" hin (Micke 1970, p. 262). Derselbe Autor stellt 1976, p. 1 fest:
One has to accept the fact that only a very small fraction of induced mutants (certainly less than 1 %) has ever been found suitable to enter yield trials and eventually only 1 % of those evaluated passed the official tests and obtained approval for commercial utilization.
- Und er führt einen recht beachtlichen Widerspruch zu diesen Erfahrungen auf, den wir hier besonders hervorheben möchten:
In contrast to such rare achievements there have been innumerable 'promising mutants' reported in innumerable publications, which never seem to appear again on the stage after their first presentation. Nevertheless, there remains a respectable number of mutants which even the self-critical breeder or geneticist have seriously considered as progressive and of which only very few so far have contributed to the development of better crop cultivars.
This experience has been disappointing to many, to those who worked with mutations and expected optimistically fast 'break-throughs' as also to those who watched the many mutation activities sceptically but nevertheless hoped that results would make the difficult task of plant breeders easier, at least in particular areas.
- Worauf er u.a. noch darauf hinweist, dass auch die Anwendung unterschiedlicher Mutagene, verschiedene Dosierungsgrade und modifizierende Maßnahmen beim Einsatz der Agenzien nichts an dem generellen Bild verändern konnten: "The ultimate hope of obtaining more of the 'better' mutants has not been fulfilled", - p. 2.
Die anfängliche Begeisterung für die Mutationszüchtung ist auch voll verständlich, nachdem mit der Synthetischen Evolutionstheorie der ganzen Welt erklärt worden war, dass die Mutationen das Rohmaterial für die Entstehung aller Lebensformen geliefert hatten und mit Hilfe der Rekombination und Selektion auch die komplexesten Lebenserscheinungen auf unserer Erde zu erklären sind. Mit den mutagenen Agenzien hatte man dazu noch eine Art Zeitraffer in der Hand: durch Vertausendfachung der Mutationsraten (meist linearer Anstieg mit der applizierten Dosis der Agenzien) konnte man nun Mutantenzahlen induzieren, für deren Auftreten es in der Natur oft größerer Zeiträume bedurft hätte. Auf dieser Grundlage mussten die erstaunlichsten Entwicklungen in der Züchtungsforschung für möglich gehalten werden.
Das Gesamtergebnis möchten wir noch einmal mit einigen Worten Leibenguths (1982 pp. 207/208; ähnlich Gottschalk 1984, p. 192) unterstreichen:
Im allgemeinen sind infolge künstlicher Mutagenese mittels Strahlen oder chemischer Mutagene nur Merkmale und Eigenschaften zu erwarten, die auch nach Spontanmutation auftreten. Die allermeisten Mutanten zeichnen sich durch einen negativen Selektionswert aus. Nach den Erfahrungen an Getreidearten und Leguminosen beträgt der Anteil züchterisch brauchbarer Mutanten 0,5 - 1 % der in den Versuchen selektierten Genotypen. Hinzu kommt häufig ein negativer Effekt auf andere Komponenten des pleiotropen Merkmalspektrums, der den züchterischen Wert einer positiven Mutante wieder herabsetzt.
Daraus geht hervor, daß das ursprüngliche Ansinnen, die zeitraubenden und kostspieligen Methoden der Rekombinationszüchtung durch "Mutationszüchtung" zu ersetzen, heute nicht mehr aktuell ist. Man betrachtet die Mutationszüchtung weniger als selbständige Zuchtmethode, sondern zieht sie vielmehr zur Ergänzung der traditionellen Methoden heran.
Simmonds bemerkt u.a. 1979, p. 36:
Earlier overoptimism, to the effect that induced mutations were about to revolutionize plant breeding, has given place to a more sober appreciation of the technique as a valuable supplement to more conventional techniques in certain, rather restricted circumstances.
...very many programmes failed, especially in the early days of overoptimism, to produce anything useful because they were not fulfilled. Nowadays we see mutation-induction simply as one technique which is occasionally useful in enlarging the genetic base of a programme in a limited and highly specific fashion.
Leibenguth stellt außerdem fest, dass die Mutationszüchtung für die Tierzucht überhaupt nicht zu gebrauchen ist: "Denn Tiere sind im Unterschied zu Pflanzen genetisch schärfer ausbalanciert; daher wirken bei ihnen alle Arten von Mutationen noch häufiger letal und stärker vitalitäts- und fertilitätsmindernd." Außerdem wäre "die bei Mutationsversuchen übliche hohe Ausfallsrate schon vom ökonomischen Standpunkt her nicht zu vertreten.... Aus all diesen Nachteilen ist abzuleiten, daß trotz gelegentlicher Mutationsversuche (Bestrahlung von Forellensperma und Hühnereiern, Colchicininjektion in Hühnereier), die keinen greifbaren Erfolg brachten, der künstlichen Auslösung von Mutationen und deren züchterischer Verwendung auf dem Haustiersektor keine Zukunft beschieden sein wird" (p. 30). In dem von Barker et al. 1982 herausgegebenen Buch über die zukünftigen Perspektiven der Tierzucht wird die Mutationszüchtung nicht vermerkt.
In der Pflanzenzüchtung sind weniger als 1 % aller induzierten Mutanten für Feldversuche als geeignet erachtet worden. Davon haben wiederum nur etwa (0,5 bis) 1 % die weiteren Untersuchungen bis zum kommerziellen Gebrauch bestanden. In der Pflanzenzucht ist damit das Verhältnis von negativen bzw. unbrauchbaren zu positiven Mutanten geringer als 10 000 : 1. Rechnet man mit 0,5 % aller induzierten Mutanten für weitere Untersuchungen und davon wiederum mit 0,5 % mit positivem Gesamtergebnis, so ist das Verhältnis 40 000 : 1. Ein geschätzter Mittelwert um 25 000 : 1 dürfte damit nicht unrealistisch sein. Bei den genetisch schärfer ausbalancierten Tieren ist die Situation so schwierig, dass nicht einmal mehr genaue Zahlen zur Ermittlung eines realistischen Verhältniswertes zugrunde gelegt werden können. Wenn wir nur eine Zehnerpotenz höher gehen, kommen wir schon zu einem Verhältnis von 100 000 bis 400 000 negativen Mutanten zu einer positiven. Wie oben schon erwähnt, ist Huxley mit einer Schätzung von 1000 : 1 noch recht optimistisch.
Aufgrund solcher Daten und Erfahrungen haben führende kommerzielle Zuchtbetriebe die Mutationszüchtung ganz aus ihrem Programm gestrichen (z.B., P. Frank; mündliche Mitteilung 1984), am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung ist 1983 der vor allem für die Mutationszüchtung eingesetzte Cäsiumstrahler nach Defekt ersatzlos abgebaut worden, und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt reine Mutationszüchtungsprogramme nicht mehr.
Mit Stubbe und Gottschalk hatten wir festgestellt, dass bei großen Sortimenten nach wiederholtem Einsatz mutagener Agenzien die Zahl der neu zu beschreibenden Mutantentypen immer geringer wird, um schließlich asymptotisch gegen Null zu laufen. Das bedeutet für die Pflanzenzucht, dass mit der Zeit selbst noch die oben gegebenen Werte zu optimistisch werden. Micke und Weindl geben 1983, pp. 1/2 dafür ein instruktives Beispiel aus der Mutationszüchtung zur Verbesserung der Getreideproteine:
Our programme on the improvement of grain protein has now come to an end...during the 14 years of the programme it had to be recognized that the matter is more complicated and that there are some mutual limitations of quantity and quality. The final research coordination meeting held 6 - 10 December 1982 in Vienna considered these difficulties and the participants advocated a period of intense physiological and biochemical research to overcome the difficulties.
- Worauf Literaturhinweise folgen. Mit anderen Worten ist das Programm aufgegeben worden, weil man dem Nullpunkt schon so nahe gekommen war, dass sich eine weitere Investition von Zeit und Geld nach Auffassung dieser Autoren kaum mehr lohnt. Doll ist zwar in dieser Frage etwas optimistischer, wenn er 1983, p. 220 feststellt:
So far the progress in the breeding for improved nutritional value of the seed protein of barley* and other cereals has been limited in terms of released varieties and several plant breeders have reduced or terminated their efforts in this field. Nevertheless, the attempts to improve the protein quality have provided a much better knowledge of the seed proteins, and both the more fundamental aspects of storage protein synthesis and genetics are now studied intensively. My intention with this contribution has been to show that the increased knowledge of the seed proteins could lead the new breeding strategies to produce varieties that have both a high protein nutritional value and an acceptable high grain yield. The suggested strategies are certainly not simple, and considerable time will have to be spent before we know how effective they are. However, the expected gain in nutritional value of high-yielding high-quality varieties is sufficiently large to justify a considerable effort in this breeding area.
*Details findet der Leser weiter bei P.R. Shewry, M.S. Williamson und M. Kreis (1987): Effects of mutant genes on the synthesis of storage components in developing barley endosperms. In: Developmental mutants in higher plants, 95 - 118 (Eds. H. Thomas and D. Grierson) Cambridge. Besonders instruktiv erscheint mir eine etwa 85 kb Deletion am Hor 2 Locus der Gerste mit daran anschließender Kompensation durch erhöhte Produktion anderer Reserveproteine, wobei jedoch die Gesamtbilanz negativ bleibt. Die Existenz von Genfamilien für die Kodierung der Reserveproteine verdeutlicht die komplexe genetische Situation.
- Doch zeigt der Vorschlag komplexerer Strategien und der Hinweis auf die noch notwendige beträchtliche Forschungsarbeit, bevor wir etwas über die Effektivität neuer Methoden aussagen können, dass auch nach Meinung dieses Autors die simple Mutationszüchtung hier nicht weiterführt.
Aus dem Verhältnis von 10 000 bis 40 000 negativen oder unbrauchbaren zu einer positiven Mutante in der Pflanzenzucht ist auch ersichtlich, welch ungeheurer Arbeitsaufwand mit der Züchtung von weltweit etwa 500 Sorten (Gottschalk 1984, p. 192; Gottschalk und Wolff 1983) verbunden war, die im Rahmen der Mutationszüchtung selektiert und rekombiniert wurden. Da diese Zahl manchmal unrealistische Hoffnungen weckt, möchten wir diesen Punkt näher analysieren. Zunächst sei hervorgehoben, dass davon etwa zwei Drittel landwirtschaftliche Nutzpflanzen sind, der Rest besteht aus Zierpflanzen, für die zum Teil andere Maßstäbe gelten, wie ein größerer Anteil vegetativ vermehrter Formen [Vgl. z.B. Broertjes et al. 1980] sowie das Interesse an einer Vielzahl von Chlorophyllmutanten (1979 war das Verhältnis 203 Nutzpflanzen zu "mehr als" 120 Zierpflanzensorten; Detailangaben bei Micke 1979, p. 257). Von diesen etwa 300 Nutzpflanzen sind wiederum etwa zwei Drittel direkte Mutanten, während das restliche Drittel der mutierten Gene erst durch Rekombination zu interessanteren Sorten führte - damit bleiben uns etwa 200 direkt durch mutagene Agenzien induzierte Linien.
Da jedoch auch bei strengen Selbstbefruchtern die Fremdbefruchtungsrate zwischen 1 und 2 % liegen kann (vgl. z.B. Lönnig 1984; dort weitere Literatur) und auch bei Fremdbefruchtern trotz jahrelanger Inzucht ein Rest von sagen wir vorsichtig 1 - 3 % Heterozygoten (Details z.B. bei Williams 1964 und wieder bei mir 1985) vorliegen kann, ist es manchmal schwierig, im konkreten Fall zu sagen, ob wir es mit einer Mutante oder einer Rekombinante zu tun haben ( - eine Frage, die in vielen Arbeiten übergangen wird). Denn auch vorher unbekannte Formen können auf Rekombination zurückgehen, so dass wir nicht einmal bei den restlichen 200 ganz sicher sein können.
Darüber hinaus geht aus den Tabellen nicht hervor, wie viele dieser Linien noch angebaut werden. Das ist eine wichtige Frage, da z.B. die Überlebensdauer europäischer Getreidesorten kaum über ein Jahrzehnt hinaus geht und in Mickes Liste von 1979 von den 196 namentlich aufgeführten Sorten breits 66 vor 1970 und davon wiederum 11 vor 1960 angemeldet worden waren. Weiter wäre die relative Anbaufläche der aus der Mutationszüchtung hervorgegangenen Sorten interessant.
Der Argumentation halber wollen wir aber einmal die Angabe von 500 (oder inzwischen vielleicht 600 [Micke führt in einer Ergänzungsliste von 1987 (Mutation Breeding Newsletter 30, pp. 20-29) weitere 56 Kultivare auf, 19 sind davon auf Rekombination zurückzuführen. Einige sind älteren Datums (z.B. Indore-2 von Gossypium: 1950...cultivated till 1961 up to 120 000 ha), 8-9 Fälle haben einen verkürzten Stamm oder Stengel, 2 sind Fiederblatt-(Verlust-)Mutanten von Pisum; Hibiscus (Zierpflanze) zeigt kleinere variegierte Blätter etc.. Wichtig erscheint mir der Hinweis (p. 20), dass die Aufführung nicht die Empfehlung der FAO/IAEA impliziert! Nicht ohne Grund wird der Herausgeber die generelle Ermahnung (p. 32) geschrieben haben: "Conclusions should be precise and distinguish facts from speculations."]) durch Mutationszüchtung entstandene Sorten als festes Ergebnis akzeptieren. Im Rahmen dieser Arbeit ist zunächst hervorzuheben, dass niemand in diesem Zusammenhang von Artbildung spricht oder auch nur die Hoffnung äußert, dass aus den Kulturlinien durch weiteren Einsatz mutagener Agenzien eines Tages neue Arten entstehen könnten.
Weiter muss man eine solche Zahl auf dem Hintergrund des Kulturpflanzen-Weltsortiments sehen. Das Weltsortiment des Weizens allein umfasst nach Zeven 1976 (zitiert nach Arias et al. 1983) bereits über 14 000 Varietäten, deren Genealogie von einer internationalen Arbeitsgruppe erstellt und von Zeven herausgegeben worden ist. Arias et al. führen in ihrem DICTIONARY OF BARLEY CULTIVARS AND LINES (1983) 5135 Gerstensorten auf (3595 Sommergersten- und 1540 Wintergerstensorten). Um den Anteil der Mutanten herauszufinden, habe ich einmal 1504 Sorten durchgesehen (pp. 34 - 80); 9 waren davon als Mutanten gekennzeichnet, d.h. 0,6 %. Es waren jedoch zu diesen 9 keine mutagene Agenzien vermerkt, so dass hier wohl Spontanmutanten vorliegen
Das Weltsortiment der anerkannten Varietäten aller Kulturpflanzen der Erde dürfte in die Hunderttausende gehen. Selbst 1000 durch mutagene Agenzien induzierte Varietäten würden nicht einmal 1 % des Gesamtsortiments ausmachen.
500 Sorten setzen nach den obigen Berechnungen die Induktion von mindestens 5 000 000 Mutanten voraus (bei einem Verhältnis von 25 000 negativen oder unbrauchbaren zu einer positiven sogar 12 500 000) und das wiederum setzt ein Hundert-(und mehr)faches des Ausgangspflanzenmaterials voraus. Wir können mit allen erfahrenen Pflanzenzüchtern nur feststellen, dass diese Methode wesentlich ineffektiver ist als die nach wie vor zu fast 100 % praktizierte Rekombinationszüchtung (was übrigens die Gedanken p. 342 weiter bekräftigt).
45 Jahre intensiver Mutationszüchtung haben uns eine Fülle interessanter Daten für die Grundlagenforschung gebracht und die hier gemachten Ausführungen setzen die Arbeit von Tausenden von Einzeluntersuchungen voraus. Diese Arbeit war und ist weiterhin für das Verständnis der Mutagenese und den damit verbundenen Folgen für die Organismenwelt einschließlich des Menschen von größter Bedeutung. Ich möchte aber noch einmal unterstreichen, dass die Erfolge für die Pflanzenzucht in keinem Verhältnis zu den ursprünglichen Erwartungen stehen. Bei einer mittleren Lebensdauer der registrierten europäischen Weizensorten von etwa 10 Jahren (EG-Wert nach Prof. Hesselbach, MPI für Züchtungsforschung, mündliche Mitteilung 1985 und 1986; auch Bundessortenamt 1989) hätte man nach synthetisch-theoretischen Voraussetzungen und Erwartungen hoffen können, dass in 30 bis 40 Jahren ein stattlicher Teil des europäischen Weizensortiments durch Produkte aus der Mutationszüchtung ersetzt worden ware. Der Gegensatz zur Realität ist einfach erstaunlich!
Heute versucht man in der Pflanzenzucht die Lücken, die mit der Mutationszüchtung nach allen Erfahrungen prinzipiell nicht zu schließen sind [vgl. z.B. K. Müntz (1987): 'Engineering' pflanzlicher Speicherproteine. BioEngineering 2, 36 - 43], vor allem mit molekularbiologischen Methoden, wie dem Gentransfer von einer Pflanzenart zur anderen, zu schließen.
Bei der Pflanzenzüchtung ist noch ein weiterer ganz wesentlicher Aspekt zu beachten, der in der folgenden Tabelle von Simmonds 1979, p. 15, zum Thema der morphologischen und chemischen Kennzeichen der Nutzpflanzenentwicklung klar zum Ausdruck kommt. Folgende Kategorien von Veränderungen werden von Simmonds 1979 genannt (Tabelle 12) (Hervorhebungen im Schriftbild von mir):
Ein wesentlicher Teil der Pflanzenzüchtung beruht damit auf Strukturabbau, was uns verständlich macht, warum der Einsatz mutagener Agenzien 'bei Wildarten, die in den Status von Kulturformen überführt werden sollten, oder bei Kulturformen, die bisher nur in geringem Maße züchterisch bearbeitet worden sind, besonders aussichtsreich ist' (Gottschalk 1984, p. 192). Mit zunehmendem Strukturabbau wird auch in diesen Fällen die Kurve abfallen, um schließlich wieder asymptotisch gegen Null zu laufen.
Dieser Strukturabbau stimmt auch mit einer Feststellung Müllers 1983, p. 342 zum Thema GENETIC CONTROL OF SEED PRODUCTION IN LEGUMES überein, wo der Autor folgende Erfahrung beschreibt:
Generally, the attempts for comparing the genetic diversity in some genera of legumes indicate that the 'ancestors' of cultivars exhibit a broader genetic variation. This needs to be investigated more intensely.
Brown und Munday führen 1982 ebenfalls Daten auf, die den "progressive loss of variation with increasing selection under domestication" illustrieren.
Wie schon erwähnt, treten in großen Sortimenten bei wiederholtem Einsatz von Mutagenen zunehmend die gleichen Mutationstypen auf und wirklich neue Mutanten werden immer seltener.
Disclaimer