Der sekundäre Genpool der Gerste als Quelle neuer genetischer Diversität

Der sekundäre Genpool der Gerste ist eine bisher nur wenig genutzte Quelle wertvoller Resistenzgene gegen pilzliche und virale Schaderreger. Als einzige Art repräsentiert die Wildgerste Hordeum bulbosum L. den sekundären Genpool der Kulturgerste (H. vulgare). H. bulbosum ist ein obligater Fremdbefruchter mit einem gut funktionierenden Selbstinkompatibilitätssystem (Lundqvist, 1962). Diese Wildgerste verdankt ihren Namen zwiebelförmigen Verdickungen an der Halmbasis, den sogenannten Bulben. Während die oberirdischen Sprossteile in den Sommermonaten absterben, überdauern die meristematischen Zellen der Bulben die Trocken- und Hitzeperioden und regenerieren mit Beginn der Niederschläge ihre vegetativen Organe. H. bulbosum verfügt über zahlreiche Resistenzeigenschaften gegenüber biotischen und abiotischen Stress­faktoren, was sie zu einer besonders wertvollen pflanzengenetischen Ressource macht. Die erste umfangreiche Resistenzbeschreibung eines Sortimentes von 109 H. bulbosum-Akzessionen mit Herkünften aus Europa, Nord- und Südamerika, Asien und Australien erfolgte durch Michel (1996). Michel (1996) detektierte H. bulbsosum-Akzessionen mit kombinierten Resistenzen gegenüber Mehltau, Zwergrost, Typhula-Fäule sowie den bodenbürtigen Gerstengelbmosaikviren (BaMMV, BaYMV-1 und -2). Andere Akzessionen zeigten Resistenz gegenüber nur einem, zwei oder drei dieser Krankheitserreger. Xu und Snape (1989) wiesen rassenspezifische Resistenzen gegenüber Mehltau, Gelbrost und Braunrost in vier Akzessionen nach. Darüber hinaus wurde in H. bulbosum auch Resistenz gegenüber der Russischen Weizenblattlaus Diuraphis noxia (Gianoli und Niemeyer, 1998) beobachtet.

Nutzung von Hordeum bulbosum in der Pflanzen­züchtung

H. bulbosum (2n = 2x = 24) diente in der Vergangenheit zur Gewinnung doppelhaploider (DH) Pflanzen durch die sogenannte Bulbosum-Technik. Dabei entstehen die DH-Pflanzen durch Eliminierung der H. bulbosum-Chromosomen in den jungen Embryonen kurz nach der Bestäubung von Hordeum vulgare mit Pollen von H. bulbosum und anschließender identischer Verdopplung des Chromosomensatzes durch eine Colchizinbehandlung (Thomas und Pickering, 1983). Inzwischen werden DH-Linien welt­weit durch Antherenkultur erzeugt.

Aufbau eines definierten israelischen H. bulbosum- Sortiments

Um über ein gut definiertes H. bulbosum-Sortiment für die Übertragung wünschenswerter Gene zu verfügen, wurde im Rahmen einer bilateralen deutsch-israelischen Kooperation zwischen dem Julius Kühn-Institut – Bundes­forschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI) (Institut für Züchtungsforschung an landwirtschaftlichen Kulturen; Institut für Resistenzforschung und Stresstoleranz) und dem Institute for Cereal Crops Improvement (ICCI) der Universität Tel Aviv vereinbart, ein neues Sortiment zu entwickeln, dass das gesamte Verbreitungsspektrum dieser Wildgerste in Israel abdeckt. Auf der Grundlage des Geografischen Informationssystems Israels (GIS, (http://www.biogis.huji.ac.il/) sollen 100 Akzessionen mit den über GPS ermittelten Koordinaten der Fundorte gesammelt werden. Diese Koordinaten gestatten, den geografischen Bezug der einzelnen Sammlungsmuster herzustellen. Dabei stellt jeder Sammelpunkt eine Akzession dar. Ein Teil des Saatgutes jeder Akzession soll in der Genbank des ICCI gelagert und vermehrt werden. Der Rest dient der Phänotypisierung und Genotypisierung, die im ICCI sowie im Institut für Resistenzforschung und Stresstoleranz des JKI erfolgen werden. Auf der Grundlage molekularer Verwandtschaftsanalysen soll die genetische Diversität (Inzuchtkoeffizient, Grad der Heterozygotie) der H. bulbosum-Kollektion dargestellt und ihr Bezug zu ökogeografischen Faktoren gesetzt werden. Die Ergebnisse werden Informationen über den GenFlow und den Effekt der natürlichen Selektion auf die Populationsstruktur liefern. Darüber hinaus stellen sie eine wichtige Entscheidungshilfe bei der zukünftigen Auswahl der Kreuzungseltern für die Übertragung von Eigenschaften zur Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen in die Kulturgerste dar.

Bisherige Sammelregionen für das Sortiment

Unsere Sammelreise fand unter Leitung des Kurators der ICCI-Genbank, Dr. Hanan Sela, vom 4. bis 6. Juni 2013 statt. Um die Diversität von H. bulbosum zu erfassen, führte uns die Route über ca. 1000 km zu 37 Sammelorten in geografisch verschiedene Regionen mit unterschiedlichen Bodenarten entlang eines Klimagradienten von Süden nach Norden. Für Israel werden 39 Hauptbodentypen beschrieben (Dan, 1988). Die Sammelreise erstreckte sich von der Negev-Wüste im Süden (Breitengrad 31,3) bis zum Berg Meiron in Galilea (Breitengrad 32,9). Der Höhenunterschied reichte von 100 m unter dem Meeresspiegel (u.d.M.) bis 1100 m über dem Meeresspiegel (ü.d.M.). Die jährlichen Niederschlagsmengen in dieser Region variieren zwischen 230 und 920 mm. Die Abb. 1 zeigt die 37 Sammelorte.

Im Gebiet der Judäischen Berge

Der erste Sammlungstag führte von Tel Aviv in südöstliche Richtung in das Gebiet der Judäischen Berge (Abb. 2) mit seinen sanften Hügelketten (9 Sammelpunkte). In dieser Region erreichen die jährlichen Niederschläge 500 bis 600 mm. In dem 100 bis 200 m ü.d.M. gelegenen Gebiet gedeiht H. bulbosum auf löss- und lehmhaltigem Boden in Gemeinschaft zahlreicher Wildpflanzen (Abb. 3). Stängel und Blätter von H. spontaneum und Wildhafer wiesen starken Schwarzrostbefall auf, während dagegen die in unmittelbarer Nachbarschaft stehenden H. bulbosum-Pflan­zen keine Symptome zeigten. Von hier aus ging es auf die 200 bis 700 m hohen Berge der Judean Mountains mit ihrer charakteristischen mediterranen Roterde (Terra rossa, Abb. 4). Jährlich fallen hier ca. 100 mm mehr Niederschläge als im Flachland. In 400 m ü.d.M. ist der durch seine zahlreichen Höhlen bekannte Nationalpark Bet Guvrin-Maresha gelegen. In den unterirdischen Glocken
höhlen wurde in der muslemischen und byzantinischen Zeit Kalkstein abgebaut (Abb. 5). Der letzte Fundort des ersten Sammlungstages lag 200 bis 300 m ü.d.M. südlich von Hashfela.

Von der Negev-Wüste bis zur Grenze Jordaniens

Am folgenden Tag fuhren wir in südliche Richtung in die Negev-Wüste bis an die jordanische Grenze (Abb. 6). Die 100 bis 200 m hoch gelegene Negev-Wüste nimmt 60% des Landes ein. Charakteristisch für diese Region ist der trockene, lösshaltige, braune Boden. In den Wintermonaten fallen 300 bis 400 mm Niederschlag. Wir trafen hier auf nomadisierende Beduinen. Die intensive Beweidung mit Schafen und Ziegen übt auf die Vegetation der Halbwüsten einen starken Selektionsdruck aus (fünf Sammelpunkte). In südliche Richtung weiterfahrend setzten wir unsere Sammlung in 400 bis 800 m Höhe auf dem Mt. Hebron fort (fünf Sammelpunkte). Die Bodentypen wechseln hier von kalkreichen, oft dunkelgraubraunen Rendzinen über gelbe, sehr kalkhaltige, lehmig bis sandig lehmige Steppenböden bis zu den schon bekannten mediterranen Roterden. Mit jährlich 200 bis 250 mm Niederschlägen ist dies die trockenste Region, in der wir H. bulbosum-Ähren sammelten.

In der Region Galilea

Der letzte Tag der Sammelreise führte uns in nördliche Richtung in die Region Galilea. Wir erweiterten unsere Sammlung mit H. bulbosum-Ähren von neun verschiedenen Standorten in einem 100 bis 400 m hoch gelegenen Areal mit jährlichen Niederschlagsmengen von 500 bis 650 mm. Die Wildgerste gedeiht hier auf verschiedenen Boden­typen. Man findet sie auf den „Terra rossa“-Böden, auf humus­armen, lehmigen Böden und sie wächst ebenso zwischen Basaltgesteinen vulkanischen Ursprungs (Abb. 8).

Fazit

Auf der Sammelreise wurde deutlich, dass als Folge der zunehmenden Bebauung (Straßenbau, Siedlungsbau, Industriebauten, Abb. 10) von bisher wenig bzw. nicht genutzten Gebieten und intensiv betriebener Landwirtschaft, insbesondere Weidewirtschaft (Abb. 11), die natürlichen Habitate der genetischen Ressourcen zurückgedrängt und zum Teil auch völlig zerstört werden. Umso mehr kommt der Sicherung dieser wertvollen genetischen Ressourcen eine große Bedeutung zu.