Von Domestizierung und Züchtung 1.0 bis hin zu Intelligent Design 4.0: Das ist die Macht der Saat!

Reis ist für etwa 50 % der Weltbevölkerung das Grundnahrungsmittel. Ein winziger Samen kann oft die Welt verändern. Kürzlich wurde auf der Tencent Science WE Conference in Peking die Dynamik der intelligenten Reiszüchtung 4.0 vorgestellt, die uns den Prozess der Reiszüchtung und die Kraft seines Saatguts näher brachte.

Domestizierung und Zucht 1.0

Die Domestizierung von Nutzpflanzen durch den Menschen ist ein wichtiges Symbol für den Beginn der landwirtschaftlichen Zivilisation. Durch die lange Zeit der Domestizierung von Wildpflanzen sind ihre den menschlichen Bedürfnissen entsprechenden Formen erhalten geblieben. Nach der Domestizierung haben sich die Ernteerträge deutlich erhöht und auch die Palette der verwendbaren Anpflanzungen hat sich deutlich erweitert. Der Reis, den wir heute anbauen, geht auf den „diploiden Wildreis“ zurück, der vor etwa 7.000 bis 10.000 Jahren lebte.

Quelle: Tuchong Creative

Ein Diploid ist ein einzelner Organismus, der sich aus einer befruchteten Eizelle entwickelt und in seinen Körperzellen über zwei Chromosomensätze verfügt. Als diploide Pflanzen werden auch Pflanzen bezeichnet, die aus diploiden somatischen Zellen gezüchtet werden, sowie Pflanzen, die aus haploiden Zellen stammen, die nur einen Chromosomensatz enthalten, bei denen die Anzahl der Chromosomen jedoch verdoppelt ist. Es kann als 2n ausgedrückt werden. Der Mensch, fast alle höheren Tiere und mehr als die Hälfte der höheren Pflanzen sind diploid.

Unter Polyploidie versteht man das Phänomen, dass sich der Chromosomensatz im Zellkern verdoppelt und vererbt wird. Polyploidie liefert das ursprüngliche genetische Material für die biologische Evolution und gilt als Beschleuniger der Evolution.

Die Polyploidisierung ist eines der wichtigsten evolutionären Ereignisse bei Pflanzen. Der Evolutionsprozess vom Diploid zum Polyploid führt neue genetische Informationen ein.

Hybridzüchtung 2.0

Bei der Hybridzucht werden Eltern mit unterschiedlichen Merkmalen gekreuzt, um eine Neukombination der Merkmale zu erreichen: Die Hybridnachkommen können eine Kombination der hervorragenden Merkmale beider Eltern aufweisen (sogar bessere Merkmale als die Eltern). Es kann auch eine Kombination der minderwertigen Eigenschaften der Eltern oder minderwertige Eigenschaften geben, die keiner der Eltern hat. Aus den vielen Hybridnachkommen werden dann Individuen ausgewählt, die die Zuchtziele erfüllen und zu neuen Sorten mit hervorragenden Eigenschaften weitergezüchtet, die stabil vererbt werden können.

Quelle: Tuchong Creative

Die erste erfolgreiche Reishybridzüchtung gelang dem Amerikaner Henry Beache 1963 in Indonesien, wofür er 1996 mit dem Welternährungspreis ausgezeichnet wurde. Da Henry Beaches Ideen und Pläne gewisse Mängel aufwiesen, konnten sie nicht in großem Maßstab verbreitet werden.

Später schlugen die Japaner die Dreilinienzuchtmethode zum Anbau von Hybridreis vor und meinten, man könne geeignete männlich sterile Wildpflanzen als Grundlage für den Anbau von Hybridreis finden. Obwohl die Japaner nach Jahren harter Arbeit wilde männlich sterile Pflanzen fanden, waren die Ergebnisse nicht sehr gut. Darüber hinaus schlugen die Japaner auch eine Reihe neuer Reiszuchtmethoden vor, wie etwa das Pulvertreiben, doch letztendlich gelang es ihnen aus verschiedenen Gründen nicht, die Industrialisierung des Hybridreises abzuschließen.

Im Februar 1971 wurde der chinesische Wissenschaftler Yuan Longping an die Hunan Academy of Agricultural Sciences versetzt, um sich auf die Erforschung von Hybridreis zu spezialisieren. Im Jahr 1973 schloss das von ihm geleitete wissenschaftliche Forschungsteam die Dreilinienkreuzung ab und züchtete erfolgreich Hybridreis, womit ein historischer Durchbruch im Bereich Hybridreis erzielt wurde. Im Juni 1984 wurde eine nationale Forschungseinrichtung für Hybridreis, das Hunan Hybrid Rice Research Center, gegründet. Später wurde das Nationale Forschungszentrum für Hybridreis-Engineering-Technologie gegründet und Yuan Longping ist seitdem Direktor beider Zentren. Im Jahr 1986 schlug er das Entwicklungskonzept „Nutzung der Hybridvorteile zwischen Unterarten im Zweilinienverfahren“ vor. Nach sechs Jahren harter Arbeit gelang es ihm und anderen Forschern, die Schlüsseltechnologien des Zweilinien-Hybridreises zu durchbrechen und ihre Anwendung voranzutreiben, wobei sie gute Ergebnisse bei der Ertragssteigerung erzielten. Der 1997 vorgeschlagene technische Ansatz zur „Züchtung von Hybridreis mit extrem hohem Ertrag“ erregte international große Aufmerksamkeit. Unter seiner Führung wurden die Ziele der ersten, zweiten und dritten Phase – Superreiserträge von 700 kg, 800 kg und 900 kg pro Mu – in den Jahren 2000, 2004 und 2011 erreicht. Das Ziel der vierten Phase von 1.000 kg pro Mu wurde im Oktober 2014 ebenfalls erreicht und legte damit den Grundstein für weitere groß angelegte und erhebliche Steigerungen der Reisproduktion.

Molekulare Züchtung 3.0

Die Hybridzüchtung hat ihre eigenen „Nachteile“: Wie die „zwei Seiten“ der Reissorten nach der Kreuzung aussehen, muss der „Entscheidung“ der Natur entsprechen. Einfacher ausgedrückt: Die Natur hat das letzte Wort darüber, was für ein „Kind“ aus der Kreuzung zweier Reissorten entsteht, und die wissenschaftlichen Forscher haben keine „Entscheidungsbefugnis“. Was wissenschaftliche Forscher tun können, ist, unter den geborenen „Kindern“ ein Tier auszuwählen, das den Bedürfnissen entspricht und stabile Eigenschaften besitzt, und dann eine Produktion im großen Maßstab durchzuführen. Diese Entscheidung erfordert oft Jahrzehnte oder sogar Jahrzehnte harter Arbeit.

Dies ist eigentlich eine „Merkmalsauswahl“. Mit der Entwicklung der Zeit und dem Fortschritt der Technologie haben wissenschaftliche Forscher die Idee der „direkten Auswahl von Genen“ vorgeschlagen, die Reis-Molekularzüchtung 3.0. Was bedeutet das? Das heißt, die Wissenschaftler müssen nicht mehr lange selbst überlegen, wie die Hybrid-„Kinder“, die neuen Reissorten, aussehen werden. Mit anderen Worten: Die molekulare Reiszüchtung wird genauso „entworfen“, wie die Entwicklung von Industrieprodukten in der industriellen Produktion.

Quelle: Tuchong Creative

Wie funktioniert die molekulare Reiszüchtung? Es gibt eine Reis-Genbibliothek – die Rice Gene Database, in der verschiedene Reisgene gespeichert sind. Forscher verwenden molekulare Marker, um in diesen verschiedenen Genen „gute Gene“ und „schlechte Gene“ zu identifizieren.

Mit dieser Methode ist eine „personalisierte“ Gestaltung von Reissorten möglich, wodurch neue Sorten effizient und effektiv gezüchtet werden können.

Intelligent Design Zucht 4.0

Was das intelligente Reiszuchtdesign 4.0 betrifft, das gerade von der Theorie in die Realität umgesetzt wird, sagte Qian Qian, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Direktor der National Crop Germplasm Bank, dass diese Methode einem künstlichen Intelligenzassistenten ähneln könnte. Wenn wir beispielsweise Reissorten anbauen möchten, die sich an unterschiedliche Klimaveränderungen anpassen können und sich durch hohe Qualität, hohen Ertrag, Stressresistenz und hohe Effizienz auszeichnen, kann das System bei der Bereitstellung oder Bewertung relevanter technischer Lösungen helfen.

Der Schlüssel zur intelligenten Reiszüchtung liegt in der Beschleunigung des Digitalisierungsprozesses der Keimplasmaressourcen. Auf der Tencent WE-Konferenz wurde die „Digital Germplasm Bank“ des Tencent Science and Technology Museum vorgestellt, die zu einer wichtigen treibenden Kraft für die vollständige und effiziente Erforschung und Nutzung von Keimplasma-Ressourcen mithilfe digitaler Technologie werden soll. Die „digitale Keimplasmabank“ nutzt 3D-Modellierung und andere Technologien, um verschiedene Nutzpflanzen zu digitalisieren und sie so in dreidimensionaler dynamischer Form darzustellen.

Quelle: Tuchong Creative

Mithilfe der „Digitalen Keimplasmabank“ können wir mithilfe relevanter Technologien phänotypische Merkmale von Nutzpflanzen erforschen und präzise erfassen. Dies kann uns dabei helfen, die Gesetze ihres Wachstums und ihrer Entwicklung zu studieren und so bessere Nutzpflanzensorten „anzupassen“ und zu entwickeln.

Umfassende Quellen: Science and Technology Daily, Voice of Science and Technology Association, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, CCTV Agriculture and Rural Affairs