Einsatz von Isoenzymen zur Sortencharakterisierung und markergestützten Selektion bei Welschem Weidelgras (Lolium multiflorum Lam.)

Einleitung

Welsches Weidelgras (Lolium multiflorum Lam.), auch als Italienisches Raygras bezeichnet, stellt das leistungsfähigste Futtergras dar. Für die Züchtung, zur Erteilung des Sortenschutzes und die gesamte Saatgutkontrolle sind objektive Unterscheidungskriterien notwendig. Morphologische und physiologische Merkmale stehen nur eingeschränkt zur Verfügung und unterliegen nicht selten Umweltschwankungen. Mit der Elektrophorese steht eine Methode zur Verfügung, mit der umweltstabile und tatsächlich vorhandene genetische Unterschiede aufgezeigt werden. Während das Elektrophoresemuster von Speicherproteinen an Mehrkornproben ein oberflächliches "Proteinprofil" einer Sorte aufzeigt, berücksichtigt demgegenüber die Elektrophorese von Isoenzymsystemen an Einzelpflanzen jeden einzelnen Genotyp.
Als ein Schwerpunkt dieser Arbeit wurde der Einsatz von Isoenzymsystemen in der Sortencharakterisierung von Welschem Weidelgras untersucht. Weiterhin wurde die Verwendbarkeit der analysierten Isoenzym-Polymorphismen als biochemische Marker hinsichtlich der Resistenz gegenüber dem Kronenrost Puccinia coronata corda f. sp. lolii geprüft.

Material und Methoden

Als Material wurden zehn diploide Weidelgrassorten, mit unterschiedlichem genetischen Hintergrund verwendet. Fünf Sorten sind als sehr rostanfällig (Bartello, Barundi, Limulta, Madilo, Turilo) und fünf als sehr rostresistent bonitiert (Dama, Fastyl, Lemtal, Meribel, Modesto). Von jeder Sorte wurden 96 Einzelindividuen im Gewächshaus angezogen und der daraus gewonnene Preßsaft für die Analysen verwendet.

Die verwendeten Elektrophorese-Methoden waren die horizontale Stärkegel-Elektrophorese (SGE) und die vertikale Polyacrylamidgel-Elektrophorese (PAGE). Folgende zehn Isoenzyme , die sich in ihrer Struktur und in der Anzahl der Genorte unterscheiden, wurden untersucht:

Ergebnisse

Die gewonnenen Ergebnisse belegen, ebenso wie frühere Untersuchungen, daß bestimmte Isoenzymsysteme zur Sortencharakterisierung und -identifikation bei Welschem Weidelgras herangezogen werden können.
Bei den untersuchten Sorten konnten bei PGI-2 vier aktive Allele beobachtet werden, bei ACP-2, ADH-1, DIA-2, GOT-1, GOT-3, ICD-1 und MEN-2 jeweils drei. Für die Systeme MDH-2 und SOD-1 wurden je zwei Allele nachgewiesen, DIA-1, MEN-3, MEN-4 und 6-PGD-1 erwiesen sich als invariant.

Zymogramme (PAGE) der Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT)

Die Enzymstruktur der MDH-2 ist monomer, die der ACP-2, ADH-1, GOT-1, GOT-3, ICD-1, PGI-2 und SOD-1 dimer. Tetramere Strukturen weisen DIA-2 und MEN-2 auf.

Bereits durch Kombination der Systeme ADH-1 und DIA-2, die das höchste Trennvermögen besitzen, lassen sich alle zehn untersuchten Sorten eindeutig unterscheiden und identifizieren.

Anteil der signifikant unterschiedlichen Sortenvergleiche (a =5%) der untersuchten Enzymsysteme:

Der Einsatz von Isoenzymsystemen zur markergestützten Selektion wird ermöglicht durch Verschiebungen von Genotyphäufigkeiten und somit Allelfrequenzen aufgrund von Umwelteinflüssen. Solche Veränderungen sind vor allem dann zu erwarten, wenn ein Isoenzym mit einem Merkmal gekoppelt ist, das sich nicht selektiv neutral verhält, d. h. ein Merkmal, bei dem bestimmte Genotypen bei sich verändernden Umwelteinflüssen (z. B. Krankheitsbefall) eine höhere (Über)Lebensfähigkeit aufweisen.

Mit den bereits vorliegenden Daten der Sortencharakterisierung wurde nun speziell für den Kronenrost des Weidelgrases Puccinia coronata corda f. sp. lolii untersucht, ob ein Zusammenhang zwischen Krankheitsresistenz, -anfälligkeit und einem der Enzymsyteme nachgewiesen werden kann. Anhand einer 2-faktoriellen Varianzanalyse errechnete sich für GOT-3 eine signifikante Interaktion zwischen den Sortengruppen und den Allelen (alpha =5%).

Der Zusammenhang läßt sich auch durch grafische Darstellung der Sorten anhand ihrer Allelfrequenzen in einem Koordinatensystem aufzeigen. Während sich Enzymsysteme mit zwei Allelen in einem xy-Koordinatensystem darstellen lassen, ist dies bei drei und mehr Allelen nicht mehr möglich. Eine Lösung bieten hier nach ØSTERGAARD und NIELSEN sogenannte "Trinomial Plots", die eine Projektion eines dreidimensionalen Koordinatensystems in einer zweidimensionalen Ebene darstellen.

Grafische Darstellung der Sorten anhand ihrer Allelfrequenzen mittels "Trinomial Plots"
"Trinomial Plot" von GOT-3
(fa, fb, fc= Frequenzen der Allele a,b,c)

Insgesamt läßt sich für neun von zehn analysierten Isoenzymsystemen bei den zehn untersuchten Weidelgrassorten feststellen, daß kein Zusammenhang zwischen einem vermuteten Rostresistenzgen und den Allelfrequenzen besteht. Bei GOT-3 konnte eine signifikante Wechselwirkung zwischen den Resistenzgruppen und Allelfrequenzen beobachtet werden.

Der Einsatz von Isoenzymen als biochemische Marker in der praktischen Züchtung für die Sortencharakterisierung und zur Testung auf Homogenität von Inzuchtlinien ist bereits Realität. Der Einsatz in der markergestützten Selektion bedarf noch weiterer Forschungsarbeit an definiertem Zuchtmaterial und polymorphen Isoenzymen.

Literatur

• NIELSEN G., ØSTERGAARD H. und JOHANSEN H. 1983: Cultivar identification by means of isozymes. II. Genetic variation at four enzyme loci in diploid ryegrass. In: Z. Pflanzenzüchtung 94, 74 - 86
• HAHN H. 1996: Untersuchungen zur elektrophoretischen Charakterisierung ausgewählter Sorten und Zuchtstämme von Festuca pratensis Huds. und Festulolium-Bastarden. Diss., Landw. Fakultät Halle-Wittenberg
• EICKMEYER F. 1994: Erstellung von molekularen Markern und Untersuchungen zur Hybridzüchtung mit Hilfe der genetischen Inkompatibilität bei Weidelgras-Arten (Lolium spp.). Diss., Fachbereich Gartenbau der Universität Hannover

B. Killermann (1), J. Lohr (2), H. Scheller (1) und T. Grundler (2)
(1) Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
(2) Fachhochschule Weihenstephan, Fachbereich Land- und Ernährungswirtschaft

Dr. Berta Killermann, Johann Lohr
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung
Tel.: 08161/71-3637 • Fax: 08161/71-4102