Ich bin dann mal im Garten…

Mein blaues Wunder

oder: Wie neue Varianten bei Lebewesen im Allgemeinen und speziell bei unseren Nutzpflanzen entstehen.

Seit ein paar Jahren bevorzuge ich ja den „Mischlingsanbau“. Dabei lasse ich bewusst die Verkreuzung von samenfesten und/oder F1-Hybrid-Sorten zu – oder fördere diese Vermischung sogar, um genetisch möglichst vielfältige Pflanzen („Grexe“) zu bekommen, die einmal als Ausgangsmaterial für neue Landsorten, für neue Nutzpflanzen-Vielfalt, dienen sollen.

In diesem Jahr haben mich die roten Mischlingsstangenbohnen (Phaseolus vulgaris var. vulgaris), die vor ein paar Jahren durch eine natürliche, zufällige Kreuzung entstanden waren (siehe dazu „Bohnopoly“, „Wie der Zufall so spielt“ und „Blaue Bohnen aus Bamberg“), mit den wunderbaren blauen Bohnen beschenkt, die Ihr auf dem obigen Bild seht. Sie zu entdecken, war eine großartige Überraschung und genau das, was ich an diesen freien Verkreuzungen so mag! (ich mach das ja nicht nur, um die Menschheit zu retten)

Ja, meine roten Bohnen haben auch wieder rote Bohnen hervorgebracht – und nicht nur blaue…

Anlässlich dieser Neuheiten möchte ich einmal den Fragen nachgehen, die ich im Untertitel angerissen habe: „Welche Prozesse sind dafür verantwortlich, dass bei Lebewesen neue Varianten entstehen?“

Weil es in diesem Blog vorrangig um die Vermehrung der Nutzpflanzen-Vielfalt geht, schließt sich die Frage an: „Was können wir tun, damit bei unseren Nutzpflanzen vermehrt neue Varianten entstehen und möglichst viele davon erhalten bleiben?“

Auch unter meinen Buschbohnen (Phaseolus vulgaris var. nanus) sind einige neue Varianten aufgetaucht…

Die Vielfalt des Lebens und unserer Nutzpflanzen

Die gesamte wunderbare Vielfalt der Lebensformen auf diesem Planeten ist irgendwann neu entstanden, entsteht weiterhin ständig neu und wird dies auch in Zukunft tun, so lange es Leben auf der Erde geben wird; denn Varianten- bzw. Individuen-Vielfalt ist die überlebenswichtige Grundlage für die Reaktion des „Lebens“ auf Umweltänderungen.

Dass die „Natürliche Selektion“ einzig und allein den Zweck hat, für mehr Individuen-Vielfalt zu sorgen – und die Entstehung von Tier- und Pflanzen-Arten nur ein Nebeneffekt ist, habe ich im Beitrag „Das Wesen der Biodiversität“ gezeigt („die Wissenschaft“ weiß davon noch nichts).

Um die Biodiversität brauchen wir uns deshalb also keine echten Sorgen zu machen, auch wenn wir im Moment durch die extreme, menschliche Veränderung der Welt mehr Lebensformen verschwinden als neue entstehen sehen und auch mir bei diesen drastischen Verluste manchmal angst und bange wird.

Ist doch ein Wahnsinn, dieses Blau, oder?

Einfach nur: Krass!

Die Vielfalt unserer Nutzpflanzen ist jedoch ausschließlich von uns Menschen abhängig – und mit „Nutzpflanzen-Vielfalt“ ist nicht nur die Vielfalt der genutzten Pflanzen-Arten insgesamt gemeint, sondern vor allen Dingen die Varianten(Individuen)-Vielfalt innerhalb der einzelnen Nutzpflanzen-Arten. Beide sind im Laufe des letzten Jahrhunderts durch wissenschaftlich-technischen Fortschritt, industrielle Revolution und marktwirtschaftliche Konzentrationsprozesse gewaltig verringert worden.

Einige der früher genutzten Nutzpflanzen-Arten werden nicht mehr gebraucht, weil sie durch neue Produkte ersetzt wurden; das sind vor allem Nutzpflanzen-Arten, die Fasern und Farbstoffe lieferten.

Die gewaltige Individuen-Vielfalt innerhalb unserer Nutzpflanzen-Arten, die hierzulande noch bis ca. 1950 in Form von Landsorten bestand, wurde durch „Pflanzenzüchtung“ (Selektion der „Besten“ und deren Inzucht) auf wenige Varianten (Zuchtsorten) dezimiert.

Bei unseren Nutzpflanzen entsteht neue Vielfalt also nicht „von selbst“ durch Natürliche Selektion; für neue Nutzpflanzen-Vielfalt müssen wir selbst sorgen.

Auch diese Bohnen-Variante ist neu…

Ihr Bauch ist weiß und ziemlich merkwürdig vom Rest abgesetzt, oder kommt mir das nur so vor?

Nicht mehr genutzte Arten können gezielt angebaut werden, um sie zu erhalten; aber was können wir tun, damit die Varianten-Vielfalt innerhalb unserer Nutzpflanzen-Arten wieder zunimmt, damit vielleicht sogar verloren gegangene Varianten wieder neu entstehen?

Die wesentliche Bedingung, die grundsätzlich vorhanden sein muss, damit überhaupt etwas Neues entstehen kann, ist:

Die freie Entfaltung des Lebendigen

Wie Ihr wahrscheinlich wisst, beruhen alle Neuerungen an einem Organismus einerseits auf zufälligen, willkürlich entstehenden Änderungen an seinem Programmcode („Erbgut“), „Mutationen“ genannt, andererseits auf der Neukombination des Programmcodes bei der geschlechtlichen Fortpflanzung (Details dazu im Beitrag „F2-Hybrid-Tomaten“).

Diese beiden Vorgänge sind die einzigen, bisher bekannten Quellen von Variationen bei Lebewesen, die an Nachkommen weitergegeben werden können.

Eine Stangenbohnen-Variante mit kugeligen schwarzen Bohnen; auch eine neue, die mir gefällt…

Ich möchte diese beide Vorgänge einmal einzeln beleuchten, damit ersichtlich wird, wie sie zu Neuheiten führen und welche Bedingungen dabei förderlich sind:

1. Mutationen des Erbguts

„Mutation w [von latein. mutatio = Veränderung; Verb mutieren], spontane, d. h. natürlich verursachte, oder durch Mutagene induzierte Veränderung des Erbguts (Veränderung der Basensequenz), die sich möglicherweise phänotypisch (Phänotyp; z. B. in Form einer „Degeneration“) manifestiert“, definiert das „Lexikon der Biologie“ (Verlag Herder, Freiburg, 2004, laut Wikipedia) eine Änderung am Programmcode von Lebewesen.

Mutationen finden ständig und rein zufallsgesteuert statt sowohl in Geschlechtszellen (generativen Zellen) als auch in normalen Körperzellen (somatischen Zellen). Änderungen in generativen Zellen werden an Nachkommen vererbt, Änderungen an somatischen Zellen nur bei vegetativer Fortpflanzung an die Nachkommen (Klone) weitergegeben.

Mutationen finden häufiger am Code für geschichtlich „neue“ Strukturen statt als an dem für „alte“, der von früheren Vorfahren stammt.

Die Entstehungsrate von Mutationen an einzelnen Genen (Mutationsrate) wird häufig als feste Größe angegeben („Molekulare Uhr“), die durch den Einfluss von energiereicher Strahlung oder mutagenen Stoffen erhöht werden kann; aber auch andere Faktoren, wie z. B. Stress oder „Hunger“, sollten die Mutationsrate beeinflussen können.

Mutationen können groß (eine Verdoppelung des gesamten Chromosomen-/Erbgut-Satzes) oder winzig klein sein (nur ein Kettenglied eines einzelnen Erbgut-/DNS-Stranges betreffen).

Auch die Auswirkungen einer Mutation können klein oder groß sein, als (unsichtbarer) Schritt oder (deutlich wahrnehmbarer) Sprung erscheinen; sie stehen nicht zwingend im Zusammenhang mit der Größe einer Mutation.

Eine Änderung erfolgt immer an einem bereits vorhandenen Zustand, d. h., eine Mutation erfolgt immer schrittweise, auch wenn ihre Auswirkung einen Sprung nahezulegen scheint (die Wildpflanze Teosinte ist nicht in einem Schritt zu Mais geworden). In einer Population sind somit immer viele Mutationen vorhanden, die keine sichtbaren Auswirkungen haben, deren Träger also „Mutanten“ sind, aber noch keine offensichtlichen Varianten darstellen.

Die Anzahl von Mutationen in einer Population ist außerdem von der Anzahl bereits vorhandener Mutationen abhängig (je mehr Gen-Varianten vorhanden sind, desto mehr neue Varianten können entstehen); auch die Kompexität eines Lebewesens ist von Bedeutung (je mehr Gene für die Bildungen der materiellen Strukturen sowie für die Steuerung von Prozessen benötigt werden, desto mehr Gene können Änderungen erfahren).

Eine schwefelgelbe Buschbohne, die im letzten Jahr neu aufgetaucht ist…

Mutationen werden in der Regel in negative, positive und neutrale/stumme Mutationen eingeteilt; aber wie ich schon in „Das Wesen der Biodiversität“ ausgeführt habe, sind Mutationen nur in solche zu unterteilen, die eine Fortpflanzung verhindern (negativ), und solche, die das nicht tun (positiv).

Als „neutral“ können Mutationen nur im Hinblick auf Ziele des Menschen oder in Zusammenhang mit bestimmten, festliegenden (statischen) Bedingungen bezeichnet werden. Unter veränderlichen Bedingungen können Mutationen keinesfalls „neutral“ sein, da ihr Wert für die Zukunft nicht abgeschätzt werden kann. Die Bedingungen auf diesem Planeten sind aber nun mal ständigen Änderungen unterworfen…

Mutationen bleiben zudem in kleineren Populationen eher erhalten, weil dort die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass sie durch Zufall wieder verloren gehen (durch genetische Drift).

Außer den „Bamberger Blauen“ unten rechts sind diese Busch-Trockenbohnen neu…

2. Neukombinationen des Erbguts bei Kreuzung

Es ist nicht leicht, die Neu- oder Rekombination des Erbguts zu verstehen, die bei der geschlechtlichen Fortpflanzung passiert, wenn man nicht (wenigstens grob) weiß, wie das Erbgut, der „Programmcode“, aufgebaut ist; deshalb habe ich für alle, die es genauer wissen wollen, Genaueres im folgenden Kasten beschrieben.

Für alle anderen mag ausreichen zu wissen, dass bei den meisten Lebewesen der „Programmcode“ in doppelter Ausfertigung vorliegt und dass es für viele der codierten Eigenschaften/Merkmale/Eiweiße („Gene“) eines Organismus mehrere Varianten („Allele“) gibt. In jedem Organismus mit doppeltem Erbgutsatz sind pro Gen-Ort aber immer nur zwei Allele vorhanden, die gleich (homozygot) oder verschieden (heterozygot) sein können.

Wenn von einem Gen mehrere Allele vorhanden sind, können an jedem Gen-Ort („Gen-Locus, Genlocus“) der beiden Programmcode-Stränge verschiedene Zusammenstellungen/Kombinationen von Allelen verwirklicht werden. So können z. B. mit den Allelen A und a an einem Genlocus die Zusammenstellungen AA, Aa und aa gebildet werden; es sind also an dieser Stelle drei Kombinationen möglich.

Je mehr Allele es von einem Gen gibt, desto mehr Kombinationen sind an einem Gen-Ort möglich (man kann deren Zahl leicht über die Summe von 1 + 2 + … + n errechnen, wobei n die Anzahl der Allele ist). „Die Zahl der Allele für ein Gen kann in einer Population (in einem Genpool) beliebig hoch sein.“ (Polymorphismus, genetic load)

Neu, neu, neu! Es vermischen sich bei gemischtem Anbau anscheinend immer einige Bohnen…

Nun spielt für die Anzahl aller möglichen Gen-Kombinationen nicht nur die Anzahl der Allele insgesamt und deren Kombination an einem Gen-Ort eine Rolle, sondern auch die Anzahl der Gen-Orte, an denen die verschiedenen Allel-Kombinationen sitzen, ist von Bedeutung.

Deshalb ist die Frage: Wie viele Kombinationen an Allelen sind insgesamt möglich, wenn wir z. B. mit 100 Gen-Orten und zwei Allel-Varianten rechnen?

Ich sag’s Euch (ich habe die Berechnung vor kurzem gefunden): Ihr müsst in diesem Fall 3 hoch 100 rechnen.

Nun kommt, 3¹⁰⁰, ist doch nicht schwer! Ihr dürft auch einen Taschen- oder Online-Rechner benutzen (hab ich auch getan): Mein Rechner hat die Zahl 515.377.520.732.011.331.036.461.129.765.621.272.702.107.522.001 ausgespuckt, eine Zahl mit 47 Stellen (kann man auch 5,15377 x 10 ^ 47 oder 5,15377e+47 schreiben), also irgendwas mit zig Zilliarden.

So unendlich viele Individuen müsste es geben, damit jede mögliche Kombination von Allelen einmal gebildet werden könnte – und das bei nur 100 verschiedenen Gen-Orten mit zwei unterschiedlichen Allelen! Fast alle höheren Organismen (Pflanzen, Tiere, Pilze) besitzen mehrere tausend Gen-Orte mit variierenden Allelen (der Mensch ca. 3600)…

Der Populationsgenetiker Theodosius Dobshanzky schrieb schon 1960 zu derselben Rechnung: „Zur Zeit besteht die Menschheit aus 2³¹ bis 2³² Personen. Der Mensch ist sicherlich nicht die zahlreichste lebende Art auf der Erde, aber es ist klar, daß die Zahl der Genotypen, die potentiell möglich sind, die Individuenzahlen aller existierenden Arten weit übertreffen.“ („Evolution und Umwelt“, S. 90 in „Hundert Jahre Evolutionsforschung“, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart)

Manchmal weiß ich nicht mehr, ob sie neu sind…

Ein Pflanzenzüchter steht vor der undankbaren Aufgabe, in der ungeheuren Zahl an Genotypen, die er durch die Kreuzung von zwei Linien-Sorten erzeugen kann, das eine Individuum mit der von ihm gewünschten Gen-Kombination zu finden, um aus diesem eine neue Zuchtsorte zu schaffen.

Lest nachfolgend seine Klage (und bedauert mit ihm, dass er keine Gen-Technik nutzen darf und deshalb sein ganzes Leben nach dem einen, wirklich wahren Individuum suchen muss – ohne es jemals zu finden):

„Die Ausprägung der landwirtschaftlich wichtigen Eigenschaften wird von einer sehr großen Anzahl frei spaltender [sich unabhängig vererbender] Gene beeinflusst. […] Selbst wenn man die o. g. Zufallseffekte und Umwelteinflüsse außer Acht lässt, müsste man 1.099.511.627.776 Pflanzen anbauen, damit bei 20 spaltenden Genen der seltenste Genotyp auch nur einmal auftreten kann. Da auf einem Hektar Weizen rund 3.000.000 Pflanzen stehen, würden 330.000 Hektar Ackerfläche gebraucht, um den gewünschten Genotyp einmal anzubauen, das sind fast 10% der gesamten Weizenfläche in Deutschland. […] Dieses Beispiel zeigt, dass durch Kreuzung von nur zwei homozygoten Linien eine so große Zahl an Rekombinanten entsteht, dass der Züchter lebenslang selektieren kann. Und wenn man an Merkmale wie Kornertrag denkt, die von weit mehr als 20 Genen gesteuert werden, ist die Variation unvorstellbar groß.“ (T. Miedaner: Grundlagen der Pflanzenzüchtung, DLG-Verlag, Frankfurt/Main, 2010, S. 45)

Ich hoffe, Ihr verzeiht mir die Ausführlichkeit, mit der ich die Auswirkungen der geschlechtlichen Fortpflanzung und die Neukombination von Genen, die dabei entsteht, dargestellt habe; aber mir ist wichtig, Euch die ungeheure Vielfalt der verschiedene Gen-Kombinationen vor Augen zu führen, die bei einer freien Kreuzung von genetisch unterschiedlichen Individuen entstehen kann.

Jede Gen-Kombination wird dabei durch ein Individuum repräsentiert, oder umgekehrt: Jedes einzigartige Individuum stellt eine einzigartige Gen-Kombination dar.

Dagegen stellen die Individuen einer samenfesten Sorte nur eine Variante, eine bestimmte Gen-Kombination dar, da alle Individuen genetisch gleich sind (oder es zumindest sein sollten); alle Individuen einer Zuchtsorte besitzen die gleiche Gen-Kombination.

Wie lässt sich die Entstehung von neuen Varianten unserer Nutzpflanzen-Arten fördern?

Obwohl sich die Mutationsrate – und damit die Entstehung von Neuheiten – durch den Einsatz energiereicher Strahlen und mutagener Stoffe deutlich steigern lässt, will ich hierauf an dieser Stelle nicht weiter eingehen (das werde ich in einem anderen Beitrag tun); denn der Einsatz solcher Mittel kommt für uns Hobby-Gärtner:innen aus technischen und finanziellen Gründen nicht in Betracht.

Doch es sollte bis hierher deutlich geworden sein, dass sich Mutationen auch ohne solche Maßnahmen durch die ständige Vermehrung einer Population (Fortpflanzungsgemeinschaft) anreichern; außerdem können sich Mutationen in kleinen Populationen relativ schnell ausprägen (sichtbar werden).

Je mehr Menschen also Pflanzen vermehren, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit, dass eine vollkommen neue Variante allein durch natürliche Mutation entsteht. Das kann übrigens auch passieren, wenn Ihr eine samenfeste, reine Zuchtsorte vermehrt (Züchter:innen müssen „Erhaltungszüchtung“ betreiben, um die immer wieder auftretenden Abweichungen vom „Sorten-Typ“ aus ihren Zuchtsorten zu eliminieren).

Noch einmal: die Hauptdarsteller…

Noch deutlicher sollte geworden sein, dass bei der Verkreuzung unterschiedlicher Pflanzen (einer Art) eine unüberschaubare Anzahl an Varianten, an Gen-Kombinationen, entsteht und dass darunter natürlich auch Gen-Kombinationen sein können, die es bisher noch nicht gegeben hat, die also völlig neu und einzigartig sind auf der Welt.

Wenn ich also meine Gartenbohnen (Busch- und auch Stangenbohnen) sich frei untereinander verkreuzen lasse, geht die Zahl der möglichen Varianten, die dabei entstehen können, gegen unendlich…

Nun habe ich unter den rund 3.000 Varianten („Sorten“), die in der Bohnen-Schatzkiste verwahrt werden, auch zwei blaue Stangenbohnen-Sorten gefunden: Eine, „Blaugraue“ genannt, ist meiner ähnlich; die andere, hell-blau (bis hell-violett), eine französische Spezialität mit dem Namen „d’Echenans à goût de Chataigne“ (nach Kastanien schmeckende aus Echenans) sieht ziemlich anders aus.

Aber selbst wenn meine Bohne in der Samenfarbe mit anderen Bohnen übereinstimmen würde, wäre die Wahrscheinlichkeit, dass sie auch in anderen Merkmalen mit diesen übereinstimmen würde, aufgrund der unendlichen Kombinationsmöglichkeiten (siehe oben) nahezu ausgeschlossen.

…und noch einmal im Kreise ihrer potentiellen Kreuzungspartner.

Meine blauen Bohnen werden darüber hinaus für die meisten Merkmale auch (noch) nicht reinerbig (homozygot) sein, sondern in ihrem doppel-strängigen Programmcode noch an vielen Gen-Orten unterschiedliche Allele tragen.

Wie unterschiedlich die Allele in den einzelnen blauen Bohnen noch zusammengesetzt sind, werde ich dann im kommenden Jahr sehen, wenn ich sie wieder aussäe…

Ja, durch eigene Saatgutgewinnung und freies Verkreuzenlassen von „Sorten“ entsteht Neues, wird die Nutzpflanzen-Vielfalt gefördert; das wollte ich nur mal zeigen…