Rückkreuzung in der Cannabiszucht – Elternwahl, Kopplungsschleppe und die Grenzen des Verfahrens

Ein Merkmal aus einer fremden Linie in eine bestehende Sorte holen, ohne die Sorte zu verlieren: dafür gibt es das Verfahren, und die Rechnung dahinter ist einfach. Die beiden Bedingungen, unter denen sie gilt, stehen in den meisten Anleitungen nicht dabei, und bei Cannabis fällt ausgerechnet die zweite oft weg.

Was die Rechnung verspricht

Nach jeder Rückkreuzung an denselben Elternteil halbiert sich der Anteil des Spendergenoms. Ohne jede Auslese liegt der Erwartungswert des wiederkehrenden Elternteils nach der ersten Runde bei 75,0 %, nach der zweiten bei 87,5, nach der dritten bei 93,8, nach der vierten bei 96,9 und nach der fünften bei 98,4 %. Für die Übertragung eines einzelnen dominanten Gens nach der klassischen Methode sind entsprechend fünf oder mehr Generationen nötig, um 99 % des Ausgangsgenoms zurückzugewinnen.

Mit Markern im Hintergrund lässt sich diese Zahl senken. Wer in jeder Generation nicht nur auf das Zielgen prüft, sondern auch darauf, wie viel Spendergenom die einzelne Pflanze sonst noch trägt, kommt mit drei statt sechs Generationen aus. Das ist der eigentliche Gewinn der markergestützten Rückkreuzung, und er ist ein Zeitgewinn, kein Qualitätsgewinn.

Im deutschen Sprachgebrauch heißt die Methode Verdrängungszüchtung. Sie ist dort am Platz, wo ein monogenes Merkmal – die Resistenz einer Landsorte etwa – mit dem Merkmalskomplex einer ertragreichen, aber anfälligen Sorte verbunden werden soll.

Die beiden Voraussetzungen, die selten dabeistehen

Erstens sollte der wiederkehrende Elternteil selbst eine reinerbige Linie sein. Ist er es nicht, spaltet er in jeder Runde mit auf, und was zurückkehrt, ist nicht die Sorte, sondern eine Stichprobe aus ihr. Bei Cannabis ist das der Regelfall und nicht die Ausnahme: eine offen abgeblühte Herkunft trägt zwischen 17 und 35 % mischerbige Genorte. Ein reinerbiger wiederkehrender Elternteil muss also erst erzeugt werden, über Geschwisterkreuzung oder über chemisch ausgelöste Selbstung, und beides kostet Generationen, bevor die erste Rückkreuzung beginnt.

Zweitens sollte das übertragene Merkmal an einem oder wenigen Genorten hängen. Für ein monogenes Merkmal ist die Auslese in jeder Runde eindeutig; sobald mehrere Genorte beteiligt sind, sinkt die Wahrscheinlichkeit, im selben Individuum alle beisammen zu finden, mit jedem weiteren Gen. Deshalb ist die markergestützte Rückkreuzung bei einem oder wenigen Zielgenen am wirksamsten und bei einem quantitativen Merkmal das falsche Werkzeug.

Die Kopplungsschleppe

Was nicht mitverschwindet, ist die unmittelbare Umgebung des Zielgens. Weil in jeder Runde auf dieses eine Allel ausgelesen wird, überlebt das Stück Spendererbgut, das daran hängt, jede Verdünnung: die Kopplungsschleppe.

Wie groß dieses Stück bleibt, hängt nicht an der Zahl der Generationen, sondern daran, wie oft in diesem Abschnitt überhaupt rekombiniert wird. In einer Simulation an Raps maß das mitgeschleppte Segment nach der ersten Rückkreuzung im Mittel 15,9 Millionen Basenpaare und nach der zweiten 5,4 Millionen; nach drei Runden mit anschließender Selbstung stammten 98 % des noch vorhandenen Spendergenoms aus genau diesem einen Segment. Lag das Zielgen dagegen in einem rekombinationsfreudigen Abschnitt, schrumpfte dasselbe Stück auf Bruchteile einer Megabase.

Warum das bei Cannabis schwerer wiegt

Die Genomstruktur dieser Art arbeitet gegen das Verfahren. Über 78 haplotypaufgelöste Genome fällt das Kopplungsungleichgewicht auf die Hälfte seines Höchstwerts erst nach etwa 10 Kilobasen ab, vergleichbar mit wild auskreuzenden Soja- und Reispopulationen, und einzelne Marker-Paare bleiben über Hunderte von Kilobasen bis in den Megabasen-Bereich gekoppelt.

Dazu kommen die Inversionen. Im Mittel trägt jedes Genom 86 davon, die mittlere Länge liegt bei 304 Kilobasen, die längsten reichen bis 25 Megabasen. In einem invertierten Abschnitt findet zwischen den beiden Fassungen praktisch kein Austausch statt – was dort drinliegt, wandert als Block. Der deutlichste Fall im untersuchten Bestand ist eine Inversion von 19,5 Megabasen auf Chromosom 1 mit rund 1203 Genen, darunter der Blühzeitregulator PRR3, der mit dem tagneutralen Blühverhalten in Verbindung gebracht wird. Wer dieses Merkmal einkreuzt, verschiebt nicht ein Gen, sondern eine Nachbarschaft.

Hinzu kommt, dass in mehreren Regionen des Cannabis-Genoms eine verzerrte Aufspaltung beobachtet wurde: die Allele des einen Elternteils kommen häufiger durch als die Rechnung erwarten lässt. Für ein Rückkreuzungsprogramm heißt das, dass der Hintergrund nicht überall gleich schnell zurückkehrt.

Der gemessene Fall: der Chemotyp-Locus

Die bekannteste Introgression dieser Art betrifft genau diesen Punkt. Die CBD-reichen Hanflinien, aus denen unter anderem das Referenzgenom CBDRx stammt, sind dadurch entstanden, dass der CBDAS-Abschnitt in einen überwiegend drogentypischen Hintergrund eingekreuzt wurde. Der Zweck war, die hohe Ertragsgenetik der Drogenlinien mit einem CBD-Chemotyp zu verbinden.

Der Abschnitt, um den es dabei geht, ist ein schlechter Kandidat für eine saubere Trennung. Jedes haploide Genom trägt höchstens eine vollständige Kopie von THCAS oder CBDAS, eingebettet in konservierte Kassetten aus springenden Elementen von 70 bis 80 Kilobasen, meist zusammen mit Pseudogenkopien derselben Familie. Diese Kassetten treten nur in wenigen festen Anordnungen auf, liegen zwischen den Nutzungstypen nicht an derselben Stelle und sind mit Inversionen verbunden – insgesamt aber in einem Bereich von etwa 1,5 Megabasen auf Chromosom 7 zusammengedrängt. Die Kartierung aus der Kreuzung eines Drogentyps mit einer Hanfsorte fand im CBDAS-Block unter 99 Nachkommen kein einziges Rekombinationsereignis.

Praktisch heißt das: Wer den Chemotyp einkreuzt, kreuzt die Kassette mit ein, und die Auslese kann sie nicht zerlegen. Dass die Aufspaltung des Chemotyps trotzdem dem einfachen Ein-Locus-Modell folgt, liegt an derselben Ursache und ist kein Zeichen für ein einfach gebautes Merkmal.

Was der Prozentwert nicht misst

Der Anteil des zurückgewonnenen Elterngenoms wird üblicherweise an Einzelnukleotid-Markern gemessen, und in dieser Art liegt deren Heterozygotie zwischen 1 und 2,5 %. Zählt man Strukturvarianten und Abschnitte hinzu, die sich zwischen zwei Haplotypen gar nicht aneinander ausrichten lassen, sind im Mittel 20,6 % der Genomlänge variabel. Ein Hintergrund, der über Marker zu 98 % zurückgekehrt aussieht, kann in genau den Bereichen abweichen, die kein Marker abdeckt.

Ein zweiter Grenzfall betrifft die Wahl des Spenders. Der Fixierungsindex zwischen Drogentyp und Hanf liegt bei 0,20, ein Wert, wie er sonst zwischen Arten auftritt. Eine Kreuzung über diese Distanz kann die Wüchsigkeit nicht nur nicht steigern, sondern senken. Die Frage, wie weit der Spender vom wiederkehrenden Elternteil entfernt sein darf, ist damit keine akademische.