Kartoffeln à la Gen-Carte
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Kartoffeln à la Gen-Carte
Wenn Kulturpflanzen Opfer von Krankheitserregern werden, kann das verheerende Folgen für
die Welternährung haben. Christiane Gebhardt und ihre Mitarbeiter am Max-Planck-Institut
für Züchtungsforschung suchen daher im Erbgut der Kartoffeln nach Genen, mit deren Hilfe
sich sowohl Resistenzen als auch bestimmte Qualitätsmerkmale leichter züchten lassen.
TEXT INGA RICHTER
Foto: Kai Weinsziehr
18 MaxPlanckForschung 1 | 09
FOKUS_Expedition Zukunft
A
uch wenn gentechnische und Knollen verfaulen, weshalb man Aus Amerika eingeschleppte Kartoffel-
Methoden der Pflanzen- auch von der Kraut- und Knollenfäu- krankheiten führten dann in der Mitte
zucht schon etliche Erfolge le spricht. des 19. Jahrhunderts zu verheerenden
beschert haben – um die Jens Lübeck ist Zuchtexperte bei Missernten; Millionen Menschen ver-
Ernährung der Weltbevöl- SaKa und prüft soeben die Erntebe- hungerten, vor allem in Irland, wo die
kerung zu gewährleisten, bedarf es wei- richte: Tatsächlich konnten die Ertrags- Abhängigkeit von der Kartoffel beson-
terer Forschungsanstrengungen: „Eine quoten 2020 um 40 Prozent gesteigert ders groß war. „Auch heute noch kön-
noch effektivere Produktion von Kul- und der Einsatz von Pflanzenschutzmit- nen die Ernteverluste durch die Kraut-
turpflanzen ist unabdingbar angesichts teln erheblich reduziert werden. Waren und Knollenfäule bis zu 100 Prozent
der wachsenden Weltbevölkerung“, er- bis vor wenigen Jahren noch acht bis 14 betragen, sofern nicht eine breite Palet-
klärt Maarten Koornneef, Direktor am Fungizidgaben notwendig, so sind es in te an Fungiziden eingesetzt wird“, sagt
Max-Planck-Institut für Züchtungsfor- diesem Jahr nur zwei gewesen. In Zu- Jens Lübeck. Allein in Deutschland kos-
schung in Köln. sammenarbeit mit dem Max-Planck- tet dies die Landwirte jährlich 88 Milli-
Derzeit leben mehr als 6,7 Milliar- Forschungsteam von Christiane Geb- onen Euro. Darüber hinaus belasten die
den Menschen auf der Erde; jede Sekun- hardt ist es dem Züchter gelungen, chemischen Schädlingsbekämpfungs-
de kommen durchschnittlich fünf hin- wichtige Resistenzgene gegen die Kraut- mittel Grundwasser und Böden und
zu. Um mit dieser Zunahme Schritt zu und Knollenfäule aufzuspüren und die wirken sich nachteilig auf die Artenviel-
halten, muss die weltweite Nahrungs- damit ausgestatteten Kartoffelpflanzen falt aus.
mittelproduktion steigen. Nur etwa ein erfolgreich weiter zu vermehren… Doch
Fünftel der Erdoberfläche kann aber als noch ist die Forschung nicht so weit. MENDEL REVOLUTIONIERT DIE
potenzielle Agrarfläche dienen; de facto Nach Weizen, Reis und Mais ist die PFLANZENZÜCHTUNG
sinkt die Fläche je Person zur Nahrungs- Kartoffel die viertwichtigste Nutzpflan-
produktion seit Jahren sogar aufgrund ze. Wenn auch kein Allheilmittel, so Vor diesem Hintergrund wäre es ein
der Ausweitung von Wohnsiedlungen könnte der Kartoffelanbau in vielen Fortschritt, wenn es gelänge, ertrag-
und Verkehrswegen. Und das bedeutet: Ländern der Welt, wo Mangel- und Fehl- reiche und gleichzeitig schädlingsresis-
Die Erträge pro Flächeneinheit müssen ernährung verbreitet sind, doch einen tente Kartoffelsorten wie die eingangs
gesteigert werden. Teil der Ernährungsproblematik lösen erwähnte Fantasiesorte „Sternstunde”
helfen. Etwa 325 Millionen Tonnen der zu züchten. Der klassische Weg der
ZUKUNFTSVISIONEN verschiedenen Sorten werden derzeit Züchtung ist dabei nach wie vor be-
FÜR DEN KARTOFFELANBAU weltweit pro Jahr geerntet. Sie sind das schwerlich, wenn auch nicht mehr so
Ergebnis jahrhundertelanger Auslese- langwierig wie vor etwa 10 000 Jahren,
Ein Zukunftsszenario, an dem die For- züchtung. Schon die von den Ur- als unsere Vorfahren begannen, sess-
scher arbeiten, könnte wie folgt aus- einwohnern Südamerikas kultivierten haft zu werden und essbare Wildpflan-
sehen: Bei der SaKa Pflanzenzucht Kartoffeln waren hoch entwickelt, ver- zen anzubauen. Im Laufe der Zeit lern-
GbR in Windeby in Schleswig-Holstein schiedensten Anbaulagen und unter- ten sie, gut schmeckende Exemplare
dreht sich alles um Solanum tuberosum, schiedlichen Verwendungszwecken an- von bitter schmeckenden zu trennen,
die Kartoffel. Ihr neuester Züchtungs- gepasst und weit entfernt von den oder ertragreiche von denen, die nur
erfolg heißt „Sternstunde”. Diese Sor- hochgradig giftigen Wildformen mit mickerig wuchsen, und sie fanden he-
te weist nicht nur einen deutlich hö- winzigen Knollen. raus, dass die Weiterzucht von Indivi-
heren Nährstoffgehalt auf, sondern ist In Europa wurde die Kartoffel im duen mit günstigen Eigenschaften die
auch resistent gegenüber dem größten 19. Jahrhundert zum Hauptnahrungs- besseren Ernteergebnisse erbrachte.
Widersacher der Kartoffel, dem Pilz mittel. Denn neben den notwendigen „Die wissenschaftliche Pflanzen-
Phytophthora infestans. Phytophthora Kalorien liefert sie auch Spurenelemente, zucht und die damit realisierbaren Er-
lässt die oberirdischen Pflanzenteile Vitamine und hochwertiges Eiweiß. tragssteigerungen in der Landwirtschaft
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KARTOFFELANBAUFLÄCHE & ERNTEMENGE
8.732.961
7.473.628
wurden erst durch Mendel revolutio-
niert“, erzählt Christiane Gebhardt. Als
Johann Gregor Mendel 1866 in den
Gärten der Abtei St. Thomas in Alt
Brünn die Pollen rot blühender Erbsen-
pflanzen auf die Narben weiß blü-
hender übertrug, bezogen sich seine
Versuche auf äußerlich erkennbare
Merkmale, die Phänotypen.
Der später als Vater der Genetik be-
41.2 titelte Mönch wusste noch nichts von
den molekularen Geheimnissen der
Nukleinsäuren, deren Aufbau und Wir-
kungsweise. Nichtsdestotrotz formulier-
te er die ersten Regeln über das Wirken
jener wahren Herrscher des Lebens, der
1.541.498
Gene – und gab der Züchtung damit
17.4
16.3
15.7
963.766
neue Impulse: Endlich konnten durch
10.8
615.878
systematische Kreuzung die Eigen-
schaften von vielen verschiedenen
Pflanzenindividuen in einem einzigen
Nachkommen vereinigt werden.
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INDIVIDUALITÄT: DER KLEINE,
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ABER FEINE UNTERSCHIED
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Doch nach wie vor müssen jene Nach-
kommen, die die gesuchte Kombinati-
Anbaufläche (Hektar) Erntemenge (Tonnen/Hektar) on der Eigenschaften der Eltern aufwei-
sen, in mehreren Zyklen ausgewählt
werden. Das kann bei einer Selektion
auf Resistenz durch die Auswahl der
nicht vom Krankheitserreger befal-
lenen Pflanzen im Gewächshaus oder
im Feld geschehen – befallene Pflan-
KARTOFFELPRODUKTION WELTWEIT (Menge in Mio. Tonnen) zen erkennt das geschulte Auge schon
aufgrund welker Blätter oder abgestor-
bener Pflanzenteile. Andere Merkmale,
350
wie beispielsweise der Nährstoffgehalt,
300 lassen sich nicht so einfach selektie-
Quelle Grafiken: FAOSTAT / Umsetzung: Designergold
250 ren. Ideal wäre es daher, wenn man die
200
Veranlagungen der Pflanze direkt an
ihren Genen ablesen könnte, sozusa-
150
gen ohne den Umweg über den Phä-
100 notyp. Ein großer Teil der zeitaufwen-
50 digen züchterischen Selektionsarbeit
würde dann entfallen.
0
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007
Gene bestimmen, welche Merkmale
eine Pflanze aufweist: ob sie schnell oder
langsam wächst, tolerant gegenüber Tro-
ckenperioden ist oder robust gegenüber
entwickelte Länder Entwicklungsländer weltweit bestimmten Pflanzenkrankheiten und
welche Inhaltsstoffe sie aufweist. Doch
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FOKUS_Expedition Zukunft
selbst nach 30 Jahren Genomforschung
an Pflanzen will sich das Geheimnis der
genetischen Vielfalt noch nicht so leicht
lüften lassen. Natürlich weiß man längst,
dass die Karten der Vererbung stets
durch die Neukombination von Ei- und
Samenzelle der Eltern neu gemischt wer-
den, und auch, dass von allen Genen
unterschiedliche Ausfertigungen existie-
ren, die Allele.
Aber: „Kartoffeln haben nur ein Mal
Sex im Leben“, erklärt Lübeck. „An-
schließend läuft die Vermehrung vege-
tativ über die Knollen“, so der Züchter.
Bei derartigen Klonen erfolgt keine wei-
tere Neukombination der Chromo-
somen. Doch weshalb enthalten dann
Knollen einer Sorte viel Stärke, während
ein Geschwisterklon weniger produ-
ziert, weshalb ist ein Klon resistenter ge-
gen Phytophthora als ein anderer?
Gebhardt erklärt das so: „Der kleine
Unterschied zwischen den Individuen
einer Art sind Punktmutationen.“ Der
englische Fachbegriff dafür: Single Nuc-
leotide Polymorphism (SNP). Dabei han-
delt es sich um einzelne, zufällige
Basenaustausche, die bei der Verdopp-
lung der DNA-Sequenz immer wieder
auftreten – auch wenn sich der Orga-
nismus asexuell vermehrt. „Im mensch-
lichen Genom ist etwa eine von 1000
Basen verändert, im Kartoffelgenom ist
es ungefähr eine von 50“, erläutert die
Forscherin.
MARKER FÜR DIE SUCHE NACH
GÜNSTIGEN GENEN
Foto: MPI für Züchtungsforschung (unten), Frank Vinken (oben)
Die meisten dieser Mutationen haben
keinen Effekt; einige aber können ne-
gative Konsequenzen nach sich ziehen,
andere dagegen begünstigen positive
Eigenschaften. Und nach genau die-
sen positiven Punktmutationen läuft
die Fahndung in Köln auf Hochtouren.
Angesichts von einer Milliarde Basen-
paaren und etwa 30 000 Genen im Kar- oben Die Vermehrung von Kartoffeln erfolgt vegetativ über die Knollen.
toffelgenom ist diese Suche allerdings unten Das Prinzip der Marker-gestützten Züchtung: Von dem Gen für die Schalenfarbe gibt es
sehr mühevoll. zwei Ausprägungen (Allele). Je nachdem, welches Allel vorliegt, ist die Schale der
Kartoffel rot oder weiß. Die Zahlen 1 und 0 symbolisieren einen DNA-Marker, der mit dem
Mit ihren genetischen Analysen Genort für die Schalenfarbe gekoppelt ist. Dabei steht die 1 für rote Schalenfarbe, die
möchte Gebhardt die Grundlagen schaf- 0 für weiße Schalenfarbe. Die Abbildung zeigt anschaulich, dass mithilfe des Markers
fen für eine Marker-gestützte Selektion, die Schalenfarbe mit hoher Sicherheit vorhergesagt werden kann.
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Foto: Frank Vinken 22 MaxPlanckForschung 1 | 09
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links Christiane Gebhardt, Forschungsgruppenleiterin in der Abteilung von Maarten Koorneef am
Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung, prüft die Banden auf einem Agarose-Gel.
rechts Die aus einer Kartoffel isolierte DNA wird mittels PCR (Polymerasekettenreaktion) vermehrt
und von sogenannten Restriktionsenzymen in kleinere Fragmente geschnitten.
rechts Von unterschiedlichen Kartoffelsorten stammende DNA-Proben werden für die
unten Gel-Elektrophorese aufbereitet.
kurz MAS (marker assisted selection). Reissorte, die unempfindlicher gegen
Voraussetzung für MAS ist die Ent- Überschwemmungen ist, aber: „Präzisi-
wicklung diagnostischer Genmarker – onszüchtung im Zusammenhang mit
künstlich hergestellte DNA-Schnipsel, der Kartoffel verlangt mehr“, so Lübeck.
welche spezifische DNA-Abschnitte ab- Die Genetik der Kartoffel ist nämlich
bilden und diese sichtbar machen, weitaus komplexer. Während Tomaten
‚markieren’. Diese DNA-Abschnitte sind und Reis nur zwei Chromosomensätze
wie Landmarken über das Erbgut der und eine oder zwei Varianten (Allele)
Pflanzen verteilt. In der Regel zeigen sie pro Gen aufweisen, besitzt die Kartoffel
keine phänotypische Ausprägung. Ent- vier Chromosomensätze mit bis zu vier
scheidend ist, dass sie sich in der Nähe verschiedenen Allelen pro Gen. Darü-
sogenannter Quantitative Trait Loci, ber hinaus werden die gesuchten Eigen-
kurz QTL, befinden und somit einen schaften nur in den seltensten Fällen
Hinweis auf die Existenz bestimmter durch ein Gen allein manifestiert.
Gene geben können. „Mehr als 50 Gene können ein Resis-
tenzmerkmal bedingen, das wir daher
PRÄZISIONSZÜCHTUNG als quantitatives Merkmal bezeichnen“,
SPART ZEIT UND KOSTEN sagt Gebhardt. Die zehn wichtigsten da-
von zu kennen wäre fantastisch.
Mithilfe der künstlichen DNA-Schnipsel Die Molekularbiologin zeigt auf eine
lässt sich das Genom der Pflanze nach Deutschlandkarte, die sich breitflächig
bestimmten Genvarianten absuchen, an der Wand des Flurs im Institut er-
deren Existenz oder Nichtexistenz auf streckt. „Wir konstruieren neue Karten“,
die zu untersuchende Eigenschaft des so Gebhardt. Die Erde sei inzwischen
lebenden Pflanzen-Individuums hin- vollständig vermessen, nun seien die
weist. Die Analyse des pflanzlichen Erb- Genome an der Reihe. In ihrem Büro
guts dient dazu, passende Kreuzungs- hängen schematische DIN-A4-Abbil-
partner zusammenzuführen und die dungen der zwölf Kartoffelchromo-
richtigen Nachkommen auszuwählen. somen an der Wand, lange Stäbchen,
Diese Vorgehensweise wird mit den Be- auf denen grüne oder blaue Balken ein-
griffen ‚Präzisionszüchtung’, Precision- gezeichnet sind: Das sind bereits identi-
Breeding, oder ‚Marker-gestützte Züch- fizierte QTL. Sie bezeichnen Bereiche
tung’ umschrieben. Die Vorteile von der DNA, die Gene enthalten, für die in
MAS liegen darin, dass theoretisch be- vorangegangenen Studien ein messbarer
reits bei Keimlingen festgestellt werden Einfluss auf die Ausprägung eines phä-
kann, ob sie das gewünschte Merkmal notypischen Merkmals nachgewiesen
besitzen oder nicht. Die zeitaufwendige werden konnte.
züchterische Selektionsarbeit entfällt, Dünne Pfeile umgeben die schema-
die Kosten sinken, der Pestizideinsatz tisierten Chromosomen sowie verschie-
Fotos: Frank Vinken
wird minimiert. Theoretisch. denfarbige Kombinationen aus Buch-
Zwar konnten zur Freude der Ketch- staben und Zahlen. GPA5 steht dort
up-Industrie durch dieses Verfahren beispielsweise in Rot, R1 in Grün oder
schon Tomaten mit erhöhtem Zucker- GP179 in Schwarz. „Die schwarzen Be-
gehalt gezüchtet werden sowie eine schriftungen bezeichnen DNA-Marker
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oben: Auf den zwölf Chromosomen der Kartoffel
konnten die Forscher bereits verschiedene
Bereiche mit Genen identifizieren, die beispiels-
weise für die Abwehr bestimmter Fraßfeinde
eine Rolle spielen.
links: Am Computer überprüfen die Forscher,
wie unterschiedlich weit die DNA-Fragmente
bei der Gel-Elektrophorese gewandert sind.
wirkungen des Pathogens auf jede ein-
zelne Pflanze über ein paar Wochen
bewerten zu können. Die Benotung er-
folgt von 1 bis 9 – quantitative Eigen-
schaften lassen sich nur in mehreren
Zwischenstufen erfassen; selten sind
Merkmale so reinrassig oder auch mo-
nogen wie das Merkmal der Blütenfar-
be von Mendels Erbsen. Die 1 stellt die
schlechteste Note dar, die entspre-
chende Pflanze wäre demnach höchst
anfällig gegenüber Phytophtora.
Die gefriergetrockneten Blätter rei-
ohne besondere biologische Bedeu- Resistenz gegen Pilze. Um eine Ver- sen 532 Kilometer durch Deutschland
tung“, erklärt Gebhardt. Sie gehören knüpfung solcher Genkarten mit den und werden im Labor in Köln aufberei-
dennoch zum Grundgerüst der Genkar- Feldpflanzen herstellen zu können, er- tet. Teilstücke der isolierten DNA wer- Fotos: Frank Vinken (mitte), MPI für Züchtungsforschung (oben)
ten – vergleichbar mit den Höhen- und hält die Kölner Arbeitsgruppe Proben- den mittels der PCR (engl. Polymerase
Breitengraden auf einer Weltkarte. material von Pflanzenzuchtunterneh- Chain Reaction), einer Art biochemi-
men wie der SaKa Pflanzenzucht GbR scher Kopiermaschine, vermehrt. An-
GENKARTEN FÜR EINE in Windeby. schließend zerschneiden Restriktions-
ENTDECKUNGSREISE IM GENOM Dort wird eine Versuchspopulation enzyme die DNA an Stellen mit einer
von durchschnittlich 200 Individuen spezifischen Basenabfolge. Oder eben
Eine solche Genkarte kann für jedes im Frühjahr ins Feld gepflanzt. Die Mit- nicht – wenn nämlich in dieser Basen-
Chromosom der Kartoffel erstellt wer- arbeiter schneiden von jeder der durch- abfolge ein SNP vorliegt, ein einzelner
den. Die Marker sind auf ihr wie die nummerierten Pflanzen ein frisches Fie- Basenaustausch. Das führt dann dazu,
Perlen auf einer Schnur aufgereiht. derblatt für die DNA-Isolation ab. dass bestimmte DNA-Fragmente bei
Dazwischen müssen dann die Eigen- Danach werden die Pflanzen weiter be- diesem Individuum länger werden. In
schaften lokalisiert werden: In Rot er- obachtet, ob ein Befall mit Schädlingen der anschließenden Gel-Elektrophore-
scheinen hier zum Beispiel Genorte, wie Phytophthora erfolgt. Ansonsten se wandern sie – angetrieben durch ein
die für die Resistenz gegen Nematoden wird durch künstliche Infektion nach- elektrisches Feld – langsamer als die
eine Rolle spielen, in Grün jene für die geholfen, um die phänotypischen Aus- kürzeren Fragmente. Betrachten wir
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unseren Marker für die Resistenz, so be- vor Kurzem nur wenige diagnostische Jahren das Kartoffelgenom komplett
wegt sich zum Beispiel ein für das Marker bekannt, mit deren Hilfe mono- entschlüsselt sein wird. Das wird für die
Merkmal ungünstiges Fragment weiter gene Merkmale identifiziert werden Suche nach weiteren Genen eine große
als ein günstiges. konnten, so brachte das Forschungs- Hilfe sein. Jens Lübeck geht davon aus,
Ob günstig oder nicht, kann aller- programm GABI (Genomanalyse im bi- dass bald weitere Marker für Resistenz-
dings erst durch den Abgleich mit den ologischen System Pflanze) in den ver- gene gefunden werden. Der Blick auf
Dokumentationen der Züchter über gangenen acht Jahren einen kräftigen die Genkarte im Büro von Christiane
die zugehörigen Versuchspflanzen ge- Schub. Die vom Bundesministerium für Gebhardt stimmt ihn optimistisch. So-
klärt werden. Diese prüfen die Quali- Bildung und Forschung (BMBF) geför- mit könnte es in Zukunft tatsächlich
tät der Versuchspflanzen und deren derten Projekte ermöglichten die Zu- „Kartoffeln à la Gen-Carte“ geben.
Knollen. Solche phänotypischen Un- sammenarbeit von Forschungszentren
tersuchungen müssen öfter durchge- wie dem Kölner Max-Planck-Institut
führt werden, an verschiedenen Orten mit Pflanzenzuchtunternehmen und
zu verschiedenen Zeiten, über mehre- förderten so erstmalig diagnostische
GLOSSAR
re Jahre. Schließlich kann die Wirkung Marker zur Identifizierung polygener
von Genen überhaupt nur in Reaktion Eigenschaften der Kartoffel zutage. Phänotyp / phänotypische Ausprägung
auf eine bestimmte Umwelt sinnvoll „Einer der bisher größten Erfolge für äußerlich erkennbares Merkmal eines
definiert werden. die wirtschaftlich relevanten Zuchtpro- Organismus, das von den Genen und der
Umwelt beeinflusst wird.
gramme ist ein molekularer Marker, der
FINANZIELLER SCHUB Resistenz gegen den Nematoden Globo- Genotyp
der individuelle Satz an Genen, den ein
FÜR MEHR KOOPERATIONEN dera pallida diagnostiziert“, sagt Lü- Organismus besitzt.
beck. Die Zysten dieses Fadenwurms
Marker
Zu den Auswertungen von Geno- und können bis zu 20 Jahre im Boden über-
generell: ein biochemisches Hilfsmittel,
Phänotyp gesellt sich die statistische dauern. Werden Kartoffelpflanzen auf um bestimmte Eigenschaften zu ermitteln;
Berechnung, um einen Zusammen- einer befallenen Fläche angebaut, drin- hier speziell: ein DNA-Abschnitt, der sich
hang zwischen Merkmalen und DNA- gen die Larven in die Wurzeln ein, be- an eine bekannte und genau lokalisierte
Abschnitten herzustellen. Tausende rauben sie ihrer Nährstoffe und lassen Sequenz im Erbgut anlagert und so bei der
Suche nach Genen hilft.
Banden werden so per Assoziations- die Pflanzen dadurch verhungern.
analyse daraufhin geprüft, mit wel- MAS
kurz für marker assisted selection:
chen Eigenschaften sie korrelieren. Im ERSTE ERFOLGE IM KAMPF Suche nach züchtungsrelevanten
Erfolgsfall heißt es, die Pflanzen weiter GEGEN FRASSFEINDE Merkmalen mithilfe von Genmarkern.
zu vermehren, deren Laboranalysen Quantitative Trait Locus Mapping
den phänotypischen und statistischen Im Kampf gegen die zahlreichen Feinde eine Methode, um die Genorte zu finden,
Vergleichen standgehalten haben, und der Kartoffel gibt es weitere Erfolge zu die ein Merkmal beeinflussen.
abzuwarten, ob sich der erwünschte vermelden: „Inzwischen haben wir ein
Erfolg einstellt. erstes Gen für die Feldresistenz gegen
„Züchtung ist ein recht träger Damp- Kraut- und Knollenfäule entdeckt“, er-
fer“, sagt Lübeck. Ein Zuchtgang von klärt Gebhardt. Das Gen trägt das Kürzel
nur einer Kartoffelsorte nimmt etwa StAOS2 (für Solanum tuberosum Allene
zehn Jahre in Anspruch. MAS könnte Oxide Synthase 2). Die Züchtungsfor-
diesen Prozess beschleunigen. Waren bis scherin spekuliert, dass in etwa fünf
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