Methionin in Erbsen, Bohnen und Lupinen – Grünfärbung und Wurzellänge als Selektionskriterien für die Pflanzenzucht

Hintergrund und Zielsetzung

Für die Produktionsziele der ökologischen Geflügel- und Schweinefütterung ist zu wenig essentielles Methionin im Eiweiß unserer Futterpflanzen vorhanden. Für Pflanzenzüchter sind hohe Gehalte an Methionin aber bisher kein entscheidendes Auswahlkriterium. Wir haben untersucht, ob in Nordeuropa angebaute Körnerleguminosen mit hohen Methioningehalten in den Körnern anhand der Grünfärbung der Blätter, in einem Test auf die Wurzellänge und mit einfachen Labormethoden zu erkennen sind.

Vorgehensweise

Unsere Untersuchungen an Ackerbohnen (Vicia Faba), Erbsen (Pisum sativum) und Blauen Lupinen (Lupinus angustifolius) basierten auf von Imsande (2001) angewandten Verfahren in der Zucht von Sojabohnen (Glycine max).

Die Bandbreite der Aminosäuregehalte im Samenprotein der Leguminosen ermittelten wir im Zuchtsortiment der beteiligten Pflanzenzüchter (insgesamt an 107 Varietäten, Analytik nach Richtlinie 98/64/EG (1998), HPLC-Analytik, N-Analyse nach Dumas). Die Selektionskriterien prüften wir an jeweils einer Sorte von Nachfolgegenerationen der Pflanzen, die zur Mutationsauslösung mit Ethyl-Methansulfonat (EMS) behandelt wurden.

Die Zusammenhänge zwischen der Grünfärbung (Chlorophyllgehalt) der Blätter und dem Methioningehalt der Samen der Pflanzen untersuchten wir an Pflanzen mit und ohne Methioninzugabe in die Nährlösung, an Pflanzen aus Samen mit natürlich erhöhten Methioningehalten und an Samen aus Pflanzen aus den Zuchtgärten mit tieferer Grünfärbung.

Zusätzlich haben wir analysiert, wie sich der sukkulente grüne Phänotyp methioninreicher Leguminosen erklären lässt. Dazu haben wir mit molekularbiologischen Methoden Effekte erhöhter Methioningehalte auf die Chlorophyllsynthese und Proteinexpression dargestellt.

Für die Anwendung in der Praxis ermittelten wir, welche Verfahren sich eignen, um den Chlorophyllgehalt der Blätter zu bestimmen (visuell auf Grünfärbung und physikalische Methoden im Vergleich zum chemischen Messverfahren). In Zuchtgärten und Gewächshäusern überprüften Pflanzenzüchter diese Methoden auf ihre Anwendbarkeit.

Als weiteres Selektionskriterium haben wir die Keimwurzellänge von Samen mit unterschiedlichen Methioningehalten in einer Ethioninlösung - einem pflanzenschädlichen Homolog zu Methionin (Et-Test) - bestimmt. Als kostengünstige chemische Selektionskriterien auf den Methioningehalt der Samen prüften wir die Eignung ihrer Schwefelgehalte und eines bakteriellen Schnelltests auf Methionin.

Ergebnisse

Zwischen den Chlorophyllgehalten der Blätter und den Methionin- oder Schwefelgehalten in den Samen der Pflanzen konnten wir keinen belastbaren Zusammenhang ermitteln.

Die Methodik des Et-Tests wurde im Projekt erfolgreich entwickelt; die vorliegende Probenzahl ist allerdings zu gering, um abschließend bewerten zu können, ob sich die Methodik für die Praxis eignet.

Im Et-Test stellten wir bei L. angustifolius im Mittel signifikant höhere relative Methioningehalte (g/16gN) in den Samen der selektierten Pflanzen gegenüber den Kontrollpflanzen fest. Bei den übrigen untersuchten Pflanzenarten gelang uns dies nicht. Bei P. sativum lagen für die Pflanzen mit hohen absoluten Methioningehalten (g/kg) in den Körnern, die der Et-Test als potenziell methioninreich selektiert hatte, gleichzeitig auch oft hohe S-Gehalte in den Samen vor.

Bei den Untersuchungen zur regulatorischen Funktion von freiem, zellulären Methionin auf die Protein- und Genexpression der Pflanzen stellten wir eine Reduktion der allgemeinen Proteinexpression in Gegenwart von Methionin in der Nährlösung (1mM) fest. Einen Zusammenhang zwischen Methioningehalt und Chlorophyllbiosynthese konnten wir nicht bestätigen.

Die aus der Literatur bekannte negative Korrelation zwischen Rohproteingehalt und relativem Methioningehalt trat auch in dem Zuchtsortiment der Arten auf, das wir analysiert hatten. Die Methioningehalte der Körner zeigten mit 12 bis 22 % (g/16gN) bzw. 16 bis 24 % (g/kg) positiver Abweichung vom Mittelwert eine hohe Variabilität des Merkmals. Die Züchtung von methioninreichen Körnerleguminosen erscheint damit bereits auf Basis der natürlichen Variabilität der Gehalte mit dem bestehenden Sortiment durchaus erfolgversprechend. Empfehlenswert wäre dazu eine breitangelegte Selektion von Einzelpflanzen aus bestehenden Sorten und Linien nach exakt bestimmten Aminosäuregehalten im Samen.