Kopplungsschleppe – warum ein eingekreuztes Gen seine Nachbarschaft mitbringt

Kopplungsschleppe ist das Stück fremdes Erbgut, das an einem eingekreuzten Gen hängen bleibt und sich nicht abschütteln lässt. Der Name beschreibt genau das, was passiert: das Zielgen wird eingeholt, und es schleppt seine Nachbarn mit.

Warum ein Gen nicht allein umziehen kann

Angenommen, eine alte Landrasse ist gegen einen Pilz widerstandsfähig, und diese Eigenschaft soll in eine bestehende Sorte, die sonst alles mitbringt, was man will. Man kreuzt beide, wählt unter den Nachkommen die aus, die den Widerstand tragen, und kreuzt sie wieder mit der eigenen Sorte. Das wiederholt man. Fachlich heißt dieses Einbauen eines fremden Merkmals in eine bestehende Sorte Introgression, umgangssprachlich Einkreuzen.

Rechnerisch geht die Landrasse dabei schnell verloren: nach der ersten Runde stammen im Mittel drei Viertel des Erbguts wieder von der eigenen Sorte, nach der zweiten sieben Achtel. Das gilt aber nur für den Durchschnitt über das ganze Genom.

Der Grund ist die Art, wie Erbgut weitergegeben wird. Gene liegen aufgereiht auf Chromosomen, und bei der Bildung der Keimzellen werden diese Chromosomen nicht Gen für Gen gemischt, sondern nur an wenigen Stellen durchtrennt und neu zusammengesetzt. Dieses Durchtrennen heißt Rekombination. Ein Nachkomme erbt deshalb keine Sammlung einzelner Gene, sondern ganze Abschnitte am Stück.

Damit ist die Falle gestellt. In jeder Runde wählt man diejenigen Pflanzen aus, die das Zielgen tragen – und wählt zwangsläufig auch den Abschnitt mit aus, in dem es liegt. Während das übrige Spendererbgut sich mit jeder Kreuzung halbiert, bleibt ausgerechnet die unmittelbare Umgebung des Zielgens erhalten. Sie schrumpft nur dann, wenn zufällig eine Trennstelle nahe genug am Zielgen liegt, und solche Pflanzen sind selten.

Wie groß das mitgeschleppte Stück bleibt

In einer durchgerechneten Simulation an Raps maß dieses Stück nach der ersten Rückkreuzung im Mittel 15,9 Millionen Basenpaare und nach der zweiten noch 5,4 Millionen. Zur Einordnung: ein haploider Chromosomensatz von Cannabis umfasst rund 750 Millionen Basenpaare. Das mitgeschleppte Stück entspricht in dieser Größenordnung also etwa zwei Prozent eines gesamten Genoms – und zwar genau an der Stelle, an der man nichts Fremdes haben wollte.

Noch deutlicher wird es weiter hinten im Programm. Nach drei Rückkreuzungen mit anschließender Selbstung stammten 98 % des insgesamt noch vorhandenen Spendererbguts aus diesem einen Segment. Der Rest der Landrasse war verschwunden, ihre Nachbarschaft um das Zielgen nicht.

Warum der Ort mehr entscheidet als die Zahl der Runden

Rekombination findet nicht überall gleich häufig statt. Es gibt Abschnitte, in denen häufig getrennt wird, und Abschnitte, in denen praktisch nie eine Trennstelle fällt. Liegt das Zielgen in einem austauschfreudigen Bereich, schrumpft dasselbe Segment in derselben Simulation auf Bruchteile einer Megabase, also auf einen kleinen Rest.

Wie extrem der Unterschied sein kann, zeigt der bestuntersuchte Fall bei Cannabis. Der Abschnitt, in dem die CBDA-Synthase liegt, sitzt in einem gen- und rekombinationsarmen Bereich von rund 39 Millionen Basenpaaren. Unter 99 untersuchten Nachkommen trat dort kein einziges Trennereignis auf. Ein solcher Bereich wandert als Block: was darin liegt, kommt entweder ganz mit oder gar nicht.

Für die Planung heißt das: bevor man die Zahl der Generationen festlegt, gehört die Frage geklärt, wo das gewünschte Merkmal überhaupt sitzt. Fünf Runden an einer ungünstigen Stelle bringen weniger als zwei an einer günstigen.

Was sich dagegen tun lässt

Der übliche Griff sind Marker links und rechts vom Zielgen. Man prüft nicht nur, ob eine Pflanze das Zielgen trägt, sondern auch, ob die beiden Nachbarstellen schon wieder von der eigenen Sorte stammen. Trifft beides zu, hat bei dieser Pflanze die Trennung nahe am Ziel stattgefunden. Solche Pflanzen sind selten, aber unter einigen hundert Nachkommen findet man sie.

Das verkleinert das Segment, es beseitigt es nicht. Wo überhaupt nicht rekombiniert wird, hilft auch der beste Marker nicht – dort gibt es die Pflanze, nach der er sucht, schlicht nicht.

Quellen