Pflanzenzüchtung

Pflanzenzüchtung ist die Wissenschaft der Veränderung von Pflanzeneigenschaften, um gewünschte Merkmale zu erzielen. ^{[ 1 ]} Sie dient der Verbesserung der Qualität pflanzlicher Produkte für Mensch und Tier. ^{[ 2 ]} Ziel der Pflanzenzüchtung ist die Entwicklung von Nutzpflanzensorten mit einzigartigen und überlegenen Eigenschaften für vielfältige Anwendungen. Die am häufigsten untersuchten landwirtschaftlichen Eigenschaften betreffen die Toleranz gegenüber biotischem und abiotischem Stress, den Korn- oder Biomasseertrag, die Endproduktqualität (z. B. Geschmack, Konzentration bestimmter biologischer Moleküle wie Proteine, Zucker, Lipide, Vitamine, Ballaststoffe) und die Verarbeitbarkeit (Ernte, Mahlen, Backen, Mälzen, Mischen usw.). ^{[ 3 ]}

Pflanzenzüchtung kann mithilfe vieler verschiedener Techniken erfolgen, von der Auswahl der geeignetsten Pflanzen für die Vermehrung über Methoden, die auf genetischen und chromosomenbezogenen Kenntnissen basieren, bis hin zu komplexeren molekularen Verfahren. Die Gene einer Pflanze bestimmen ihre qualitativen und quantitativen Merkmale. Pflanzenzüchter streben danach, bestimmte Pflanzeneigenschaften und potenziell neue Sorten zu erzielen ^{[ 2 ]} und reduzieren dabei die genetische Vielfalt dieser Sorten auf wenige spezifische Biotypen ^{[ 4 ] .}

Die Pflanzenzüchtung wird weltweit von Einzelpersonen wie Gärtnern und Landwirten sowie von professionellen Pflanzenzüchtern praktiziert, die bei Organisationen wie Regierungsbehörden , Universitäten, branchenspezifischen Verbänden oder Forschungszentren angestellt sind. Internationale Entwicklungsorganisationen sind der Ansicht, dass die Züchtung neuer Nutzpflanzen wichtig ist, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten , indem neue Sorten entwickelt werden, die ertragreicher, krankheitsresistent, dürretolerant oder regional an unterschiedliche Umgebungen und Wachstumsbedingungen angepasst sind. ^{[ 5 ]}

Eine Studie aus dem Jahr 2023 zeigt , dass Europa ohne Pflanzenzüchtung in den letzten 20 Jahren 20 % weniger Ackerfrüchte produziert, zusätzlich 21,6 Millionen Hektar Land verbraucht und 4 Milliarden Tonnen Kohlenstoff emittiert hätte ^. [ 6 ^] [ ^{7 ]} Für ^Marokko entwickelte Weizensorten werden derzeit mit anderen Pflanzen gekreuzt ^{, um neue Sorten für} Nordfrankreich zu gewinnen. Sojabohnen, die früher vorwiegend in Südfrankreich angebaut wurden ^, werden nun ^auch in Süddeutschland kultiviert. ^{[ 6 ] [} 8 ^]

Die Pflanzenzüchtung begann mit der sesshaften Landwirtschaft und insbesondere mit der Domestizierung der ersten Nutzpflanzen , eine Praxis, die schätzungsweise 9.000 bis 11.000 Jahre zurückreicht. ^{[ 9 ]} Anfänglich wählten die frühen Bauern einfach Nahrungspflanzen mit bestimmten wünschenswerten Eigenschaften aus und nutzten diese als Vorfahren für nachfolgende Generationen, was im Laufe der Zeit zu einer Anhäufung wertvoller Merkmale führte .

Die Veredelungstechnik wurde in China bereits vor 2000 v. Chr. angewendet. ^{[ 10 ]}

Um 500 v. Chr. war die Veredelung bereits weit verbreitet und etabliert. ^{[ 11 ]}

Gregor Mendel (1822–1884) gilt als „Vater der Genetik “. Seine Experimente mit Pflanzenhybriden führten zur Aufstellung der Vererbungsgesetze . Die Genetik regte die Forschung zur Verbesserung der Pflanzenproduktion durch Pflanzenzüchtung an.

Die Selektionszüchtung spielte eine entscheidende Rolle in der Grünen Revolution des 20. Jahrhunderts.

Die moderne Pflanzenzüchtung ist angewandte Genetik, ihre wissenschaftliche Grundlage ist jedoch breiter gefächert und umfasst Molekularbiologie , Zytologie , Systematik , Physiologie , Pathologie , Entomologie , Chemie und Statistik ( Biometrie ). Sie hat zudem eigene Technologien entwickelt.

Eine wichtige Technik der Pflanzenzüchtung ist die Selektion , der Prozess der gezielten Vermehrung von Pflanzen mit erwünschten Eigenschaften und der Eliminierung oder „Aussortierung“ derjenigen mit weniger erwünschten Eigenschaften. ^{[ 12 ]}

Eine weitere Technik ist die gezielte Kreuzung eng oder entfernt verwandter Individuen, um neue Kulturpflanzensorten oder -linien mit erwünschten Eigenschaften zu erzeugen. Pflanzen werden gekreuzt, um Merkmale/Gene einer Sorte oder Linie in einen neuen genetischen Hintergrund einzuführen . Beispielsweise kann eine mehltauresistente Erbse mit einer ertragreichen, aber anfälligen Erbse gekreuzt werden. Ziel der Kreuzung ist es, Mehltauresistenz zu erzielen, ohne die Ertragseigenschaften zu beeinträchtigen. Die Nachkommen dieser Kreuzung werden dann mit dem ertragreichen Elternteil gekreuzt, um sicherzustellen, dass sie diesem am ähnlichsten sind ( Rückkreuzung ). Die Nachkommen dieser Kreuzung werden dann auf Ertrag (Selektion, wie oben beschrieben) und Mehltauresistenz geprüft, und ertragreiche, resistente Pflanzen werden weiterentwickelt. Pflanzen können auch mit sich selbst gekreuzt werden, um Inzuchtlinien für die Züchtung zu erzeugen. Bestäuber können durch den Einsatz von Bestäubungsbeuteln ausgeschlossen werden .

Die klassische Pflanzenzüchtung beruht größtenteils auf homologer Rekombination zwischen Chromosomen, um genetische Vielfalt zu erzeugen . Klassische Pflanzenzüchter können zudem verschiedene In-vitro- Techniken wie Protoplastenfusion , Embryorettung oder Mutagenese (siehe unten) einsetzen, um Diversität zu erzeugen und Hybridpflanzen zu züchten, die in der Natur nicht vorkommen .

Zu den Eigenschaften, die Pflanzenzüchter versucht haben, in Nutzpflanzen einzubringen, gehören:

1. Verbesserte Qualität , wie z. B. erhöhter Nährwert, verbesserter Geschmack oder größere Schönheit
2. Erhöhter Ertrag der Ernte
3. Erhöhte Toleranz gegenüber Umweltbelastungen ( Salzgehalt , extreme Temperatur , Dürre )
4. Resistenz gegen Viren , Pilze und Bakterien
5. Erhöhte Toleranz gegenüber Insektenschädlingen
6. Erhöhte Herbizidtoleranz
7. Längere Lagerfähigkeit für die geernteten Erzeugnisse

Die Firma Gartons Agricultural Plant Breeders in England wurde 1880 von John Garton gegründet und 1898 in eine Aktiengesellschaft umgewandelt. Garton war einer der Ersten, der durch Kreuzbestäubung entstandene neue Sorten von Nutzpflanzen kommerzialisierte. ^{[ 13 ]} Die erste Produkteinführung des Unternehmens war die …Abundance Oat ist eine Hafersorte . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Sie ist eine der ersten landwirtschaftlichen Getreidesorten, die aus einer kontrollierten Kreuzung hervorgegangen ist und 1892 in den Handel kam. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Anfang des 20. Jahrhunderts erkannten Pflanzenzüchter, dass Gregor Mendels Erkenntnisse über die nicht-zufällige Vererbung auf durch gezielte Bestäubung erzeugte Sämlingspopulationen angewendet werden konnten , um die Häufigkeit verschiedener Typen vorherzusagen. Weizenhybriden wurden gezüchtet, um die Ernteerträge Italiens während der sogenannten „ Kornschlacht “ (1925–1940) zu steigern. George Harrison Shull erklärte die Heterosis . Sie beschreibt die Tendenz der Nachkommen einer bestimmten Kreuzung, beide Elternpflanzen in der Ernte zu übertreffen. Die Erkenntnis des Nutzens der Heterosis für die Pflanzenzüchtung führte zur Entwicklung von Inzuchtlinien, die bei Kreuzungen einen heterotischen Ertragsvorteil aufweisen. Mais war die erste Pflanzenart, bei der Heterosis in großem Umfang zur Hybridisierung eingesetzt wurde.

Es wurden auch statistische Methoden entwickelt, um die Genwirkung zu analysieren und erbliche Variation von umweltbedingter Variation zu unterscheiden. 1933 beschrieb Marcus Morton Rhoades eine weitere wichtige Züchtungstechnik, die zytoplasmatische männliche Sterilität (CMS), die bei Mais entwickelt wurde . CMS ist ein mütterlich vererbtes Merkmal, das dazu führt, dass die Pflanze sterilen Pollen produziert . Dies ermöglicht die Erzeugung von Hybriden ohne die Notwendigkeit des arbeitsintensiven Entquastens .

Diese frühen Züchtungsmethoden führten Anfang des 20. Jahrhunderts in den Vereinigten Staaten zu erheblichen Ertragssteigerungen. Ähnliche Ertragssteigerungen wurden andernorts erst nach dem Zweiten Weltkrieg erzielt ; die Grüne Revolution steigerte in den 1960er Jahren die Ernteerträge in den Entwicklungsländern.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden eine Reihe von Techniken entwickelt, die es Pflanzenzüchtern ermöglichten, entfernt verwandte Arten zu hybridisieren und künstlich genetische Vielfalt zu erzeugen.

Bei der Kreuzung entfernt verwandter Arten nutzen Pflanzenzüchter verschiedene Techniken der Pflanzenzellkultur , um Nachkommen aus ansonsten fruchtlosen Kreuzungen zu erzeugen. Interspezifische und intergenerische Hybriden entstehen durch die Kreuzung verwandter Arten oder Gattungen, die sich normalerweise nicht sexuell miteinander fortpflanzen. Diese Kreuzungen werden als Weitkreuzungen bezeichnet . Beispielsweise ist das Getreide Triticale eine Weizen - Roggen- Hybride. Die Zellen der Pflanzen der ersten Generation aus dieser Kreuzung wiesen eine ungerade Anzahl an Chromosomen auf und waren daher steril. Mithilfe des Zellteilungshemmers Colchicin wurde die Chromosomenzahl in den Zellen verdoppelt , wodurch die Erzeugung einer fertilen Linie ermöglicht wurde.

Das Ausbleiben der Hybridbildung kann auf Inkompatibilität vor oder nach der Befruchtung zurückzuführen sein . Ist eine Befruchtung zwischen zwei Arten oder Gattungen möglich, kann der Hybridembryo vor der Reifung absterben. In diesem Fall kann der aus einer interspezifischen oder intergenerischen Kreuzung entstandene Embryo manchmal gerettet und zu einer vollständigen Pflanze kultiviert werden. Dieses Verfahren wird als Embryorettung bezeichnet . Mit dieser Technik wurde eine neue Reissorte für Afrika entwickelt , eine interspezifische Kreuzung des asiatischen Reises Oryza sativa und des afrikanischen Reises O. glaberrima .

Hybride können auch durch eine Technik namens Protoplastenfusion erzeugt werden . Dabei werden Protoplasten, üblicherweise in einem elektrischen Feld, miteinander verschmolzen. Lebensfähige Rekombinanten können in Kultur regeneriert werden.

Chemische Mutagene wie Ethylmethansulfonat (EMS) und Dimethylsulfat (DMS), Strahlung und Transposons werden zur Mutagenese eingesetzt . Mutagenese bezeichnet die Erzeugung von Mutanten. Pflanzenzüchter erhoffen sich dadurch erwünschte Eigenschaften, die sie mit anderen Sorten kreuzen können – ein Prozess, der als Mutationszüchtung bekannt ist . Klassische Pflanzenzüchter erzeugen zudem genetische Vielfalt innerhalb einer Art, indem sie die somaklonale Variation nutzen , die bei Pflanzen aus Gewebekulturen, insbesondere aus Kallusgewebe , auftritt . Auch induzierte Polyploidie sowie das Hinzufügen oder Entfernen von Chromosomen mittels Chromosomen-Engineering können Anwendung finden.

Wenn ein erwünschtes Merkmal in eine Art eingezüchtet wurde, werden mehrere Kreuzungen mit dem bevorzugten Elternteil durchgeführt, um die neue Pflanze diesem so ähnlich wie möglich zu machen. Um auf das Beispiel der mehltauresistenten Erbse zurückzukommen, die mit einer ertragreichen, aber anfälligen Erbse gekreuzt wird: Um die mehltauresistenten Nachkommen der Kreuzung dem ertragreichen Elternteil so ähnlich wie möglich zu machen, werden die Nachkommen über mehrere Generationen mit diesem Elternteil rückgekreuzt (siehe Rückkreuzung ). Durch diesen Prozess wird der größte Teil des genetischen Beitrags des mehltauresistenten Elternteils entfernt. Klassische Züchtung ist daher ein zyklischer Prozess.

Bei klassischen Züchtungsmethoden ist dem Züchter nicht genau bekannt, welche Gene in die neuen Sorten eingeführt wurden. Einige Wissenschaftler argumentieren daher, dass Pflanzen, die mit klassischen Methoden erzeugt wurden, denselben Sicherheitsprüfungen unterzogen werden sollten wie gentechnisch veränderte Pflanzen. Es gab Fälle, in denen mit klassischen Methoden gezüchtete Pflanzen für den menschlichen Verzehr ungeeignet waren; beispielsweise wurde der Gehalt an dem Gift Solanin in bestimmten Kartoffelsorten durch Pflanzenzüchtung unbeabsichtigt auf unzulässige Werte erhöht . Neue Kartoffelsorten werden daher häufig auf ihren Solaningehalt geprüft, bevor sie in den Handel gelangen.

Selbst mit den neuesten biotechnologiegestützten konventionellen Züchtungsmethoden dauert die Eingliederung eines Merkmals bei vegetativ vermehrten Pflanzen durchschnittlich sieben Generationen , bei selbstbefruchtenden neun und bei fremdbefruchtenden siebzehn . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Moderne Pflanzenzüchtung nutzt molekularbiologische Techniken, um erwünschte Eigenschaften in Pflanzen auszuwählen oder, im Falle der genetischen Modifikation, einzufügen. Die Anwendung von Biotechnologie oder Molekularbiologie wird auch als molekulare Züchtung bezeichnet .

Manchmal können viele verschiedene Gene ein erwünschtes Merkmal in der Pflanzenzüchtung beeinflussen. Mithilfe von Werkzeugen wie molekularen Markern oder DNA-Fingerprinting lassen sich Tausende von Genen kartieren. Dies ermöglicht es Pflanzenzüchtern, große Pflanzenpopulationen auf das gewünschte Merkmal zu untersuchen. Die Untersuchung basiert auf dem Vorhandensein oder Fehlen eines bestimmten Gens, das durch Laborverfahren bestimmt wird, und nicht auf der visuellen Identifizierung des ausgeprägten Merkmals in der Pflanze. Ziel der markergestützten Selektion oder Pflanzengenomanalyse ist es, die Position und Funktion ( den Phänotyp ) verschiedener Gene innerhalb des Genoms zu identifizieren. Die Identifizierung aller Gene führt zur Genomsequenz . Alle Pflanzen besitzen unterschiedlich große und lange Genome mit Genen, die für verschiedene Proteine ​​kodieren, aber viele sind auch identisch. Wenn die Position und Funktion eines Gens in einer Pflanzenart identifiziert ist, findet sich ein sehr ähnliches Gen wahrscheinlich auch an einer ähnlichen Stelle im Genom einer anderen verwandten Art. ^{[ 18 ]}

Homozygote Pflanzen mit erwünschten Eigenschaften lassen sich aus heterozygoten Ausgangspflanzen erzeugen , wenn eine haploide Zelle mit den Allelen für diese Eigenschaften gewonnen und anschließend zu einem Doppelhaploiden vererbt wird . Der Doppelhaploid ist dann homozygot für die gewünschten Eigenschaften. Darüber hinaus können zwei so erzeugte homozygote Pflanzen zur Erzeugung einer Generation von F1-Hybriden verwendet werden , die die Vorteile der Heterozygotie und ein breiteres Spektrum an möglichen Eigenschaften aufweisen. Somit kann eine aufgrund ihrer erwünschten Eigenschaften ausgewählte heterozygote Pflanze ohne vegetative Vermehrung , sondern durch die Kreuzung zweier homozygoter/doppelhaploider Linien, die von der ursprünglich ausgewählten Pflanze abstammen, in eine heterozygote Sorte (F1-Hybrid) umgewandelt werden. ^{[ 19 ]} Diese Methode wird als „Reverse Breeding“ bezeichnet. ^{[ 20 ]} Durch Pflanzenzellkultur lassen sich haploide oder doppelhaploide Pflanzenlinien und -generationen erzeugen. Dadurch wird die genetische Vielfalt der verwendeten Pflanzenart reduziert, um erwünschte Merkmale auszuwählen, die die Fitness der Individuen erhöhen. Diese Methode verringert den Bedarf an der Züchtung mehrerer Pflanzengenerationen, um eine hinsichtlich der gewünschten Merkmale homogene Generation zu erhalten, und spart somit viel Zeit im Vergleich zum natürlichen Verfahren. Es gibt zahlreiche Techniken der Pflanzenzellkultur zur Gewinnung haploider Pflanzen, wobei die Mikrosporenkultur derzeit die vielversprechendste Methode zur Herstellung großer Mengen darstellt. ^{[ 18 ]}

Die genetische Veränderung von Pflanzen wird durch das Hinzufügen eines oder mehrerer spezifischer Gene oder durch das Ausschalten eines Gens mittels RNAi erreicht , um einen gewünschten Phänotyp zu erzielen. Pflanzen, die durch das Hinzufügen eines Gens entstehen, werden oft als transgene Pflanzen bezeichnet . Werden für die genetische Veränderung Gene der jeweiligen Art oder einer kreuzbaren Pflanze unter der Kontrolle ihres natürlichen Promotors verwendet, so spricht man von cisgenen Pflanzen . Manchmal kann die genetische Veränderung schneller zu einer Pflanze mit den gewünschten Eigenschaften führen als die klassische Züchtung, da der größte Teil des Pflanzengenoms unverändert bleibt.

Um eine Pflanze gentechnisch zu verändern, muss ein genetisches Konstrukt entworfen werden, das die Expression des hinzuzufügenden oder zu entfernenden Gens in der Pflanze ermöglicht. Dazu müssen ein Promotor zur Steuerung der Transkription und eine Terminationssequenz zur Beendigung der Transkription des neuen Gens sowie das oder die gewünschten Gene in die Pflanze eingeführt werden. Zusätzlich wird ein Marker zur Selektion transformierter Pflanzen verwendet. Im Labor ist Antibiotikaresistenz ein gängiger Marker: Erfolgreich transformierte Pflanzen wachsen auf antibiotikahaltigen Medien; nicht transformierte Pflanzen sterben ab. In manchen Fällen werden Selektionsmarker vor der kommerziellen Vermarktung durch Rückkreuzung mit der Elternpflanze entfernt.

Das Konstrukt kann mittels genetischer Rekombination mithilfe der Bakterien Agrobacterium tumefaciens oder A. rhizogenes oder durch direkte Methoden wie die Genkanone oder Mikroinjektion in das Pflanzengenom eingefügt werden . Auch die Verwendung von Pflanzenviren zur Einschleusung genetischer Konstrukte in Pflanzen ist möglich, jedoch ist diese Technik durch das Wirtsspektrum des Virus eingeschränkt. Beispielsweise infiziert das Blumenkohlmosaikvirus (CaMV) nur Blumenkohl und verwandte Arten. Ein weiterer Nachteil viraler Vektoren besteht darin, dass das Virus in der Regel nicht an die Nachkommen weitergegeben wird, sodass jede Pflanze inokuliert werden muss.

Die meisten kommerziell erhältlichen transgenen Pflanzen beschränken sich derzeit auf solche mit Resistenzen gegen Insektenschädlinge und Herbizide . Insektenresistenz wird durch die Integration eines Gens von Bacillus thuringiensis (Bt) erreicht, das für ein für einige Insekten giftiges Protein kodiert . Beispielsweise nimmt der Baumwollkapselwurm , ein häufiger Baumwollschädling, beim Fressen von Bt-Baumwolle das Toxin auf und stirbt. Herbizide wirken üblicherweise, indem sie an bestimmte Pflanzenenzyme binden und deren Wirkung hemmen. ^{[ 21 ]} Die vom Herbizid gehemmten Enzyme werden als „ Zielstruktur “ des Herbizids bezeichnet. Herbizidresistenz kann in Nutzpflanzen erzeugt werden, indem eine Variante des Zielstrukturenproteins exprimiert wird, die nicht durch das Herbizid gehemmt wird. Mit dieser Methode werden glyphosatresistente („ Roundup Ready “) Nutzpflanzen hergestellt.

Durch genetische Modifikation lassen sich die Erträge weiter steigern, indem die Stresstoleranz gegenüber einer bestimmten Umwelt erhöht wird. Stressfaktoren wie Temperaturschwankungen werden der Pflanze über eine Kaskade von Signalmolekülen signalisiert, welche einen Transkriptionsfaktor aktivieren, um die Genexpression zu regulieren . Die Überexpression bestimmter Gene, die an der Kälteakklimatisierung beteiligt sind, führt nachweislich zu einer höheren Frostresistenz, einer häufigen Ursache für Ertragsverluste ^{[ 22 ].}

Die genetische Modifizierung von Pflanzen, die pharmazeutische Wirkstoffe (und Industriechemikalien) produzieren können , auch Pharming genannt , ist ein recht radikales neues Gebiet der Pflanzenzüchtung. ^{[ 23 ]}

Die Debatte um gentechnisch veränderte Lebensmittel erreichte in den 1990er Jahren 1999 ihren Höhepunkt hinsichtlich Medienberichterstattung und Risikowahrnehmung ^{[ 24 ]} und dauert bis heute an. So hat sich beispielsweise Deutschland dem wachsenden europäischen Widerstand gegen gentechnisch veränderte Pflanzen angeschlossen, indem es den Anbau einer weit verbreiteten, schädlingsresistenten Maissorte verboten hat ^{[ 25} ] ^. Die Debatte umfasst die ökologischen Auswirkungen gentechnisch veränderter Pflanzen , die Sicherheit gentechnisch veränderter Lebensmittel und Konzepte zur Sicherheitsbewertung wie die substanzielle Gleichwertigkeit . Solche Bedenken sind in der Pflanzenzüchtung nicht neu. Die meisten Länder verfügen über Regulierungsverfahren, um sicherzustellen, dass neue Pflanzensorten, die auf den Markt kommen, sowohl sicher sind als auch den Bedürfnissen der Landwirte entsprechen. Beispiele hierfür sind die Sortenzulassung, Saatgutprogramme, behördliche Zulassungen für gentechnisch veränderte Pflanzen usw.

Die industrielle Pflanzenzüchtung hat unbeabsichtigt die Wechselwirkungen zwischen landwirtschaftlichen Kulturpflanzen und ihrem Mikrobiom verändert. ^{[ 26 ]} Bei Mais beispielsweise hat die Züchtung die für den Stickstoffkreislauf in der Rhizosphäre notwendigen Taxa verändert. Modernere Linien rekrutieren weniger stickstofffixierende Taxa und mehr Nitrifizierer und Denitrifizierer . ^{[ 27 ]} Mikrobiomanalysen von Zuchtlinien zeigten, dass Hybridpflanzen einen Großteil ihrer Bakteriengemeinschaft mit ihren Eltern teilen, wie beispielsweise Kürbissamen und Apfeltrieb-Endophyten. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} Darüber hinaus entspricht der proportionale Beitrag des Mikrobioms von den Eltern zur Nachkommenschaft der Menge an genetischem Material, die jeder Elternteil während der Züchtung und Domestizierung beigetragen hat. ^{[ 30 ]}

Seit 2020 wird maschinelles Lernen – insbesondere Deep Learning – vermehrt zur Phänotypisierung eingesetzt . Computer Vision mittels maschinellen Lernens hat große Fortschritte gemacht und wird nun für die Blattphänotypisierung und andere Aufgaben angewendet, die üblicherweise vom Menschen durchgeführt werden. Pound et al. (2017) und Singh et al. (2016) sind besonders herausragende Beispiele für frühe erfolgreiche Anwendungen und den Nachweis der allgemeinen Anwendbarkeit des Verfahrens auf verschiedene Pflanzenarten. Diese Methoden funktionieren noch besser mit großen, öffentlich zugänglichen Datensätzen . ^{[ 31 ]}

Speed ​​Breeding wurde von Watson et al. (2018) eingeführt. Klassische (manuelle) Phänotypisierung ist während des Speed ​​Breedings ebenfalls möglich, mithilfe eines von Richard et al. (2015) entwickelten Verfahrens. Ab 2020 wird erwartet, dass Speed ​​Breeding und automatisierte Phänotypisierung in Kombination deutlich verbesserte Ergebnisse liefern werden – siehe Abschnitt „Phänotypisierung und künstliche Intelligenz“ oben. ^{[ 31 ]}

Die NGS-Plattform hat den Zeit- und Kostenaufwand für die Sequenzierung erheblich reduziert und die SNP-Entdeckung in Modell- und Nichtmodellpflanzen erleichtert. Dies wiederum hat zur Verwendung von großflächigen SNP-Markern in genomischen Selektionsverfahren geführt, die darauf abzielen, genomische Zuchtwerte (GEBVs) von Genotypen in einer gegebenen Population vorherzusagen. Diese Methode kann die Selektionsgenauigkeit erhöhen und die Dauer jedes Züchtungszyklus verkürzen. Sie wurde bereits bei verschiedenen Kulturpflanzen wie Mais, Weizen usw. angewendet ^{[ 32 ] [ 33 ].}

Partizipative Pflanzenzüchtung (PPB) bedeutet, dass Landwirte in ein Pflanzenzüchtungsprogramm eingebunden werden und in verschiedenen Phasen die Möglichkeit haben, Entscheidungen zu treffen und zum Forschungsprozess beizutragen. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} Partizipative Ansätze zur Pflanzenzüchtung können auch bei der Anwendung von Pflanzenbiotechnologien zur Pflanzenzüchtung eingesetzt werden. ^{[ 37 ]} Lokale Agrarsysteme und die genetische Vielfalt werden durch partizipative Programme gestärkt, und die Ergebnisse werden durch das Wissen der Landwirte über die erforderliche Qualität und die Bewertung der Zielumgebung verbessert. ^{[ 38 ]}

Eine 2019 veröffentlichte Studie zur partizipativen Pflanzenzüchtung zeigte, dass diese trotz ihrer Erfolge bei der Entwicklung von Sorten mit verbesserter Diversität und Nährstoffqualität sowie der höheren Wahrscheinlichkeit, dass diese verbesserten Sorten von Landwirten angenommen werden, keine breite Akzeptanz gefunden hat. Die Studie kam außerdem zu dem Schluss, dass die partizipative Pflanzenzüchtung ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis aufweist als nicht-partizipative Ansätze und empfahl, die partizipative Pflanzenzüchtung mit der evolutionären Pflanzenzüchtung zu kombinieren. ^{[ 39 ]}

Evolutionäre Pflanzenzüchtung beschreibt Verfahren, bei denen große Populationen mit unterschiedlichen Genotypen unter natürlicher Selektion kultiviert werden. Das Überleben unter gängigen Anbaubedingungen ist der vorherrschende Selektionsmechanismus, nicht die direkte Selektion durch Anbauer und Züchter. Pflanzen, die unter den vorherrschenden Wachstumsbedingungen (z. B. Umwelt und Betriebsmittel) begünstigt sind, tragen mehr Samen zur nächsten Generation bei als weniger angepasste Individuen. ^{[ 40 ]} Die nepalesische Nationale Genbank hat evolutionäre Pflanzenzüchtung erfolgreich eingesetzt , um die Vielfalt der Landsorten des Jumli-Marshi -Reises zu erhalten und gleichzeitig dessen Anfälligkeit für die Reisbräune zu reduzieren. Diese Verfahren wurden in Nepal auch bei Bohnenlandsorten angewendet. ^{[ 41 ]}

1929 schlugen Harlan und Martini eine Methode zur Pflanzenzüchtung mit heterogenen Populationen vor, indem sie eine gleiche Anzahl von F2-Samen aus 378 Kreuzungen zwischen 28 geografisch unterschiedlichen Gerstensorten zusammenführten. 1938 demonstrierten Harlan und Martini die Evolution durch natürliche Selektion in gemischten dynamischen Populationen, indem sie zeigten, dass einige Sorten, die an manchen Standorten dominant wurden, an anderen fast vollständig verschwanden; schlecht angepasste Sorten verschwanden überall. ^{[ 42 ]}

Evolutionäre Züchtungspopulationen wurden eingesetzt, um selbstregulierende Pflanzen-Pathogen-Systeme zu etablieren. Ein Beispiel hierfür ist Gerste, bei der es Züchtern gelang, die Resistenz gegen die Rötelnfäule (Rynchosporium secalis) über 45 Generationen hinweg zu verbessern. ^{[ 8 ]} In einem evolutionären Züchtungsprojekt wurden F5-Hybrid -Sojabohnenpopulationen auf mit dem Sojabohnenzystennematoden befallenem Boden angebaut , wodurch der Anteil resistenter Pflanzen von 5 % auf 40 % gesteigert werden konnte. Das Internationale Zentrum für Agrarforschung in Trockengebieten (ICARDA) kombiniert evolutionäre Pflanzenzüchtung mit partizipativer Pflanzenzüchtung, um Landwirten die Auswahl der für ihre lokalen Gegebenheiten geeigneten Sorten zu ermöglichen. ^{[ 8 ]}

Ein einflussreicher Versuch von Coit A. Suneson aus dem Jahr 1956 , diesen Ansatz zu kodifizieren, prägte den Begriff der evolutionären Pflanzenzüchtung und kam zu dem Schluss, dass 15 Generationen natürlicher Selektion wünschenswert sind, um Ergebnisse zu erzielen, die mit konventioneller Züchtung konkurrenzfähig sind. ^{[ 43 ]} Die evolutionäre Züchtung ermöglicht die Arbeit mit deutlich größeren Pflanzenpopulationen als die konventionelle Züchtung. ^{[ 42 ]} Sie wurde auch in Kombination mit konventionellen Verfahren eingesetzt, um sowohl heterogene als auch homogene Pflanzenlinien für ressourcenschonende Landwirtschaftssysteme mit unvorhersehbaren Stressbedingungen zu entwickeln. ^{[ 44 ]}

Die evolutionäre Pflanzenzüchtung wurde in vier Stadien unterteilt: ^{[ 40 ]}

• Phase 1: Es wird genetische Vielfalt geschaffen, zum Beispiel durch manuelle Kreuzungen von Inzuchtarten oder durch Vermischung von Sorten bei Fremdbefruchtern.
• Phase 2: Vermehrung der Samen
• Phase 3: Die Samen jeder Kreuzung werden vermischt, um die erste Generation der zusammengesetzten Kreuzungspopulation (CCP) zu erzeugen. Die gesamte Nachkommenschaft wird ausgesät, um zu wachsen und Samen zu bilden. Mit zunehmender Pflanzenanzahl in der Population wird ein Teil des geernteten Saatguts für die Aussaat aufbewahrt.
• Phase 4: Das Saatgut kann für die weitere evolutionäre Pflanzenzüchtung oder als Ausgangspunkt für konventionelle Züchtungsbemühungen verwendet werden.

Zukünftige Herausforderungen für die Pflanzenzüchtung sind der Mangel an Ackerland, zunehmend schwierige Anbaubedingungen und die Notwendigkeit, die Ernährungssicherheit zu gewährleisten, also die Weltbevölkerung ausreichend mit Nährstoffen zu versorgen. Nutzpflanzen müssen in verschiedenen Umgebungen gedeihen können, um weltweit verfügbar zu sein. Dies erfordert die Lösung von Problemen wie der Dürretoleranz. Es wird angenommen, dass globale Lösungen durch Pflanzenzüchtung möglich sind, da diese die Selektion spezifischer Gene ermöglicht, die es den Nutzpflanzen erlauben, die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. ^{[ 45 ]} Ein Problem für die Landwirtschaft ist der Verlust von Landrassen und anderen lokalen Sorten, deren Diversität nützliche Gene für die zukünftige Klimaanpassung enthalten könnte. ^{[ 8 ]}

Konventionelle Züchtungsmethoden schränken die phänotypische Plastizität innerhalb von Genotypen und die Variabilität zwischen Genotypen gezielt ein. ^{[ 44 ]} Diese Uniformität verhindert, dass sich Nutzpflanzen an den Klimawandel und andere biotische und abiotische Stressfaktoren anpassen können . ^{[ 8 ]}

Die Rechte von Pflanzenzüchtern sind ein wichtiges und kontroverses Thema. Die Entwicklung neuer Sorten wird von kommerziellen Pflanzenzüchtern dominiert, die ihre Arbeit schützen und Lizenzgebühren durch nationale und internationale Abkommen auf der Grundlage von Rechten des geistigen Eigentums einziehen wollen . Die damit verbundenen Probleme sind komplex. Vereinfacht gesagt argumentieren Kritiker der zunehmend restriktiven Regulierungen, dass kommerzielle Züchter durch eine Kombination aus technischem und wirtschaftlichem Druck die Biodiversität verringern und Einzelpersonen (wie z. B. Landwirte) erheblich daran hindern, Saatgut auf regionaler Ebene zu entwickeln und zu handeln. ^{[ 46 ]} Es werden weiterhin Anstrengungen unternommen, die Rechte von Pflanzenzüchtern zu stärken, beispielsweise durch die Verlängerung der Sortenschutzfristen.

Das Recht des geistigen Eigentums an Pflanzen verwendet häufig Definitionen, die typischerweise genetische Einheitlichkeit und ein über Generationen hinweg unverändertes Aussehen umfassen. Diese rechtlichen Definitionen von Stabilität stehen im Gegensatz zur traditionellen agronomischen Verwendung, die Stabilität im Hinblick darauf betrachtet, wie konstant der Ertrag oder die Qualität einer Kulturpflanze an verschiedenen Standorten und über die Zeit bleibt. ^{[ 40 ]}

Nach den Bestimmungen in Nepal (Stand 2020) dürfen nur einheitliche Sorten registriert oder freigegeben werden. Evolutionäre Pflanzenpopulationen und viele Landrassen sind polymorph und erfüllen diese Standards nicht. ^{[ 41 ]}

Einheitliche und genetisch stabile Sorten können unzureichend sein, um mit Umweltschwankungen und neuen Stressfaktoren umzugehen. ^{[ 40 ]} Pflanzenzüchter konzentrieren sich daher auf die Identifizierung von Nutzpflanzen, die unter diesen Bedingungen gedeihen. Ein Weg dorthin ist die Suche nach Sorten, die resistent gegen Trockenheit und geringe Stickstoffdüngung sind. Daraus wird deutlich, dass die Pflanzenzüchtung für das zukünftige Überleben der Landwirtschaft unerlässlich ist, da sie Landwirten die Produktion stressresistenter Nutzpflanzen ermöglicht und somit die Ernährungssicherheit verbessert. ^{[ 47 ]} In Ländern mit strengen Wintern wie Island , Deutschland und weiter östlich in Europa arbeiten Pflanzenzüchter an der Züchtung von Sorten, die Frosttoleranz, Toleranz gegenüber durchgehender Schneedecke, Frosttrockenheit (Austrocknung durch Wind und Sonneneinstrahlung bei Frost) und hoher Bodenfeuchtigkeit im Winter aufweisen. ^{[ 48 ]}

Pflanzenzüchtung ist ein langwieriger Prozess, was insbesondere dann wichtig ist, wenn es darum geht, eine Krankheit zu bekämpfen. Die durchschnittliche Zeitspanne von der Erkennung einer neuen Pilzkrankheitsbedrohung durch den Menschen bis zur Markteinführung einer gegen diesen Erreger resistenten Kulturpflanze beträgt mindestens zwölf Jahre. ^{[ 17 ] [ 49 ]}

Neue Pflanzensorten müssen erhalten und vermehrt werden. Manche Pflanzen vermehren sich vegetativ, andere über Samen. Bei samenvermehrten Sorten ist eine genaue Kontrolle der Saatgutquelle und der Produktionsverfahren erforderlich, um die Reinheit der Sorten zu gewährleisten. Isolation ist notwendig, um Kreuzkontaminationen mit verwandten Pflanzen oder die Vermischung von Saatgut nach der Ernte zu verhindern. Normalerweise wird die Isolation durch einen ausreichenden Pflanzabstand erreicht, bei bestimmten Kulturen werden die Pflanzen jedoch in Gewächshäusern oder Käfigen gehalten (am häufigsten bei der Erzeugung von F1-Hybriden).

Moderne Pflanzenzüchtung, ob klassisch oder gentechnisch, birgt Bedenken, insbesondere im Hinblick auf Nutzpflanzen. Die Frage, ob Züchtung den Nährwert negativ beeinflussen kann, ist dabei zentral. Obwohl in diesem Bereich bisher relativ wenig direkte Forschung betrieben wurde, gibt es wissenschaftliche Hinweise darauf, dass die Förderung bestimmter Entwicklungsaspekte einer Pflanze andere Aspekte hemmen kann. Eine 2004 im „Journal of the American College of Nutrition“ veröffentlichte Studie mit dem Titel „Changes in USDA Food Composition Data for 43 Garden Crops, 1950 to 1999 “ verglich Nährwertanalysen von Gemüse aus den Jahren 1950 und 1999 und fand deutliche Rückgänge bei sechs von 13 gemessenen Nährstoffen , darunter 6 % Protein und 38 % Riboflavin . Auch Reduktionen bei Kalzium , Phosphor , Eisen und Ascorbinsäure wurden festgestellt. Die am Biochemischen Institut der Universität von Texas in Austin durchgeführte Studie kam zusammenfassend zu dem Schluss: „Wir gehen davon aus, dass sich etwaige tatsächliche Rückgänge im Allgemeinen am einfachsten durch Veränderungen bei den angebauten Sorten zwischen 1950 und 1999 erklären lassen, bei denen es möglicherweise zu Zielkonflikten zwischen Ertrag und Nährstoffgehalt gekommen ist.“ ^{[ 50 ]}

Pflanzenzüchtung kann zur globalen Ernährungssicherheit beitragen, da sie ein kosteneffektives Instrument zur Steigerung des Nährwerts von Futterpflanzen und Nutzpflanzen darstellt. Verbesserungen des Nährwerts von Futterpflanzen durch den Einsatz analytischer Chemie und Pansenfermentationstechnologie werden seit 1960 dokumentiert. Diese Wissenschaft und Technologie ermöglichten es Züchtern, Tausende von Proben innerhalb kurzer Zeit zu untersuchen und so leistungsstarke Hybriden schneller zu identifizieren. Die genetische Verbesserung betraf hauptsächlich die In-vitro-Trockenmasseverdaulichkeit (IVDMD) mit einer Steigerung von 0,7–2,5 %. Bereits eine Steigerung der IVDMD um 1 % führte bei einem einzelnen Rind der Rasse Bos taurus (Fleischrind) zu einer Erhöhung der täglichen Zunahme um 3,2 %. Diese Verbesserung zeigt, dass Pflanzenzüchtung ein unverzichtbares Instrument ist, um die Landwirtschaft der Zukunft auf ein höheres Leistungsniveau zu bringen. ^{[ 51 ]}

Mit dem Bevölkerungswachstum muss auch die Nahrungsmittelproduktion steigen. Schätzungen zufolge ist bis 2050 eine Steigerung der Nahrungsmittelproduktion um 70 % erforderlich, um die Ziele der Erklärung des Weltgipfels zur Ernährungssicherheit zu erreichen. Aufgrund der Degradierung landwirtschaftlicher Flächen ist der bloße Anbau größerer Mengen an Nutzpflanzen jedoch keine praktikable Lösung mehr. Durch Pflanzenzüchtung lassen sich in einigen Fällen neue Pflanzensorten entwickeln, die höhere Erträge ermöglichen, ohne dass eine Ausweitung der Anbaufläche notwendig ist. Ein Beispiel hierfür ist Asien, wo sich die Nahrungsmittelproduktion pro Kopf verdoppelt hat. Dies wurde nicht nur durch den Einsatz von Düngemitteln, sondern auch durch den Anbau verbesserter, speziell für die Region entwickelter Nutzpflanzen erreicht. ^{[ 52 ] [ 53 ]}

Einige Kritiker des ökologischen Landbaus behaupten, er sei zu ertragsarm, um eine praktikable Alternative zum konventionellen Landbau darzustellen, insbesondere wenn die geringen Erträge teilweise auf den Anbau ungeeigneter Sorten zurückzuführen sind. ^{[ 54 ] [ 55 ]} Schätzungen zufolge basieren über 95 % des ökologischen Landbaus auf konventionell angepassten Sorten, obwohl sich die Produktionsbedingungen im ökologischen und konventionellen Landbau aufgrund der unterschiedlichen Bewirtschaftungsmethoden stark unterscheiden. ^{[ 55 ]} Vor allem stehen Bio-Landwirten weniger Betriebsmittel zur Verfügung als konventionellen Landwirten, um ihre Produktionsbedingungen zu kontrollieren. Die Züchtung von Sorten, die speziell an die besonderen Bedingungen des ökologischen Landbaus angepasst sind, ist entscheidend, damit dieser Sektor sein volles Potenzial ausschöpfen kann. Dies erfordert die Selektion von Merkmalen wie: ^{[ 55 ]}

• Wassernutzungseffizienz
• Nährstoffnutzungseffizienz (insbesondere Stickstoff und Phosphor )
• Wettbewerbsfähigkeit von Cannabis
• Toleranz gegenüber mechanischer Unkrautbekämpfung
• Schädlings-/Krankheitsresistenz
• Frühe Reife (als Mechanismus zur Vermeidung bestimmter Belastungen)
• Toleranz gegenüber abiotischem Stress (z. B. Dürre, Salzgehalt usw.).

Aktuell gibt es nur wenige Züchtungsprogramme, die sich auf den ökologischen Landbau konzentrieren. Bis vor Kurzem basierten die wenigen Programme, die diesen Sektor adressierten, im Allgemeinen auf indirekter Selektion (d. h. Selektion in konventionellen Umgebungen auf Merkmale, die für den ökologischen Landbau als wichtig erachtet werden). Da sich ökologische und konventionelle Umgebungen jedoch stark unterscheiden, kann ein bestimmter Genotyp aufgrund der Wechselwirkung zwischen Genen und Umwelt in den jeweiligen Umgebungen sehr unterschiedlich reagieren (siehe Gen-Umwelt-Interaktion ). Ist diese Wechselwirkung stark genug, kann ein für den ökologischen Landbau wichtiges Merkmal in der konventionellen Umgebung unentdeckt bleiben, was zur Selektion schlecht angepasster Individuen führen kann. ^{[ 54 ]} Um die am besten angepassten Sorten zu identifizieren, befürworten Vertreter der ökologischen Züchtung heute die direkte Selektion (d. h. Selektion in der Zielumgebung) für viele agronomische Merkmale.

Trotz des Verbots gentechnisch veränderter Organismen (GVO) gibt es zahlreiche klassische und moderne Züchtungsmethoden, die zur Verbesserung von Nutzpflanzen im ökologischen Landbau eingesetzt werden können . Beispielsweise ermöglichen kontrollierte Kreuzungen die Rekombination erwünschter genetischer Variationen und deren Weitergabe an die Nachkommen durch natürliche Prozesse. Markergestützte Selektion kann ebenfalls als Diagnoseinstrument genutzt werden, um die Auswahl von Nachkommen mit den gewünschten Merkmalen zu erleichtern und den Züchtungsprozess erheblich zu beschleunigen. ^{[ 56 ]} Diese Technik hat sich insbesondere für die Introgression von Resistenzgenen in neue genetische Hintergründe sowie für die effiziente Selektion vieler in einem Individuum kombinierter Resistenzgene als nützlich erwiesen. Für viele wichtige Merkmale, insbesondere für komplexe, die von vielen Genen gesteuert werden, stehen derzeit keine molekularen Marker zur Verfügung.

• Yvonne Aitken
• Norman Borlaug
• Luther Burbank
• Keith Downey
• Thomas Andrew Knight
• Niels Ebbesen Hansen
• Nazareno Strampelli
• Nikolai Vavilov

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• Fachgemeinschaft für Pflanzenzüchtung und Genomik – Bildungs- und Schulungsmaterialien für Pflanzenzüchter und verwandte Berufsgruppen
• Neuigkeiten zur Pflanzenzüchtung
• Hybridisierung von Nutzpflanzen – ein umfangreiches praktisches Nachschlagewerk zur Pflanzenhybridisierung
• Infografik zur Geschichte der Pflanzenzüchtung
• Glossar der Pflanzenzüchtungsterminologie der Open Plant Breeding Foundation
• Nationaler Verband der Pflanzenzüchter (NAPB)
• Die Globale Partnerschaftsinitiative zum Aufbau von Kapazitäten in der Pflanzenzüchtung – GIPB
• FAO/IAEA-Programm-Mutantendatenbank
• Stellungnahme der FDA zu den Richtlinien – Lebensmittel aus neuen Pflanzensorten
• Eine ganz eigene Art: Der Leitfaden für Pflanzenzüchter zur Vermeidung von Patenten durch defensive Veröffentlichung von Cydnee V. Bence & Emily J. Spiegel, 2019