Table Of ContentARBEITSGEMEINSCHAFT FOR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
73.Sitzung
am 2. Oktober 1957
in Dusseldorf
ARBEITSGEMEINSCHAFT FOR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
HEFT 73
Diter van Wettstein
Ake Gustafsson
und Lars Ehrenberg
Mutationsforschung und Ziichtung
fosei Straub
Mutationsauslăsung durch ionisierende Strahlen
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-00802-6 ISBN 978-3-663-02715-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02715-7
© 195~ Springer Fachmedien Wiesbaden
Urspriinglich erschienen bei Westdeutsmer Verlag, Kiiln und Opl.den 195~
lNHALT
Dozent Dr. phil. Dr. rer. nat. Diter von Wettstein,
Professor Dr. phil. Ake Gustafsson und Dozent Dr. phil.
Lars Ehrenberg, Stockholm
Mutationsforschung und Ziichtung . . . . . . . . 7
Diskussionsbeitrage
von Prof. Dr. phil. Siegfried Strugger, Prof. Dr. phil.
Ake Gustafsson, Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Dr. E. h.
Leo Brandt, Prof. Dr. phil. Bernhard Rensch, Prof. Dr.
med. Walter Kikuth, Prof. Dr. med. Gunther Lehmann,
Prof. Dr. phil. Josef Straub . . . . . . . . . . . . . 49
Summary ........ . . ......... 59
Professor Dr. phil. Josef Straub, Koln
Mutationsauslosung durch ionisierende Strahlung . . . . 61
Diskussionsbeitrage
von Prof. Dr.-lng. Wilhelm Bischof, Prof. Dr. phil. Josef
Straub, Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt,
Prof. Dr. med. Gerhard Domagk, Prof. Dr. phil. Bern
hard Rensch, Prof. Dr. phil. Ake Gustafsson, Prof. Dr.
phil. Siegfried Strugger . . . . . . . . . . . . . . 83
Summary und Resume . . .. . .......... 89
Mutationsforschung und Ziichtung
Von Dozent Dr. phil., Dr. rer. nat. Diter von Wettstein,
Professor Dr. phil. Ake Gustafsson und Dozent Dr. phil. Lars Ehrenberg,
Stockholm
Genetisches Institut der forstlichen Forschungsanstalt, Genetisches Institut der Universit1it
und Biochemisches Institut der Universitat, Stockholm, Schweden
Muller fand 1927, daB Rontgenstrahlen Mutationen auslOsen und hielt
diese Methode auch fiir den praktischen Ziichter von Nutzen. Interessanter
weise hatte de Vries schon 1904 vorgeschlagen, »daB die Rontgen-undCurie
strahl en, welche in das Innere der lebenden Zellen eindringen konnen, zu
einem Versuch benutzt werden sollten, urn die Erbfaktoren in den Ge
schlechtszellen zu verandern" (nach Blakeslee 1936). Weitgehend negativ
beurteilte dagegen ein anderer Pionier der Mutationsforschung, Stadler
(1930), die Aussicht auf eine praktische Anwendung dieser Entdeckung. U. a.
kam er zu cler Auffassung, daB die Chancen fUr die Produktion experimen
teller Variation en, die nicht schon in der Natur auftraten, klein sind. Etwas
optimistischer war er fiir die Obstbaumziichtung. Da die Obstbaume vege
tativ vermehrt werden, kann eine neue durch Mutation entstandene Varietat
direkt beobachtet und vermehrt werden, ohne daB eine Gametenbildung,
Befruchtung und Rekombination die giinstige genotypische Konstitution
zerstort.
In Schweden begannen Nilsson-Ehle und Gustafsson unmittelbar nach
den Entdeckungen Mullers und Stadlers umfassende Bestrahlungsexperi
mente an Gerste, Weizen, Hafer und Lein. Es sei hier auf einige neuere Zu
sammenfassungen dieser Arbeiten hingewiesen. So hat Mac Key (1954) eine
eingehende Analyse iiber das Mutationsgeschehen beim hexaploiden Wei zen
vorgelegt. Gleichzeitig erschien eine monographische Dbersicht der Muta
tionsprobleme bei Kulturpflanzen und damit verbundene strahlenbiologische
Analysen: Mutation Research in Plants, Acta Agric. Scand. IV:3. Diese Ar
beiten behandeln die Wirkung verschiedener Strahlenarten, der Gamma-,
Rontgen-, Neutronen- und Alphastrahlen sowie die einiger radioaktiver
Isotope. Kiirzlich konnten Ergebnisse iiber die Anwendung von chemischen
* Vortrag gehalten von A. Gustafsson in der Sitzung der Arbeitsgemeinschaft fiir For
schung des Landes Nordrhein-Westfalen am 2. Oktober 1957.
8 von Wettstein, Gustafsson, Ehrenberg
Mutagentien gewonnen werden (Ehrenberg, Gustafsson und Lundquist,
1956, Ehrenberg, Gustafsson und D. von Wettstein 1956).
Stubbe (1929, 1942), Schick (1934), Kuckuck (1934) und Knapp (1941)
betonten wiederholt die Moglichkeit, mit Hilfe mutationsauslosender kurz
welliger Strahlen, insbesondere Rontgenstrahlen, Mutationen von zuchte
rischem Wert in groBer Menge zu erzeugen. In den J ahren 1942 bis 1944
stellten Freisleben und Lein methodische Richtlinien fur eine Mutationszuch
tung lin Deutschland auf. Dabei gelang 'es ihnen, unter anderem eine mehl
tauresistente Mutante aus einer anfalligen reinen Linie der Sommergerste zu
isolieren, und sie zeigten dadurch, daB Mutanten in der Resistenzzuchtung
Bedeutung erlangen konnen. Sie beschrieben 1944 nicht weniger als 92 vitale
Mutanten cler Sorte "Heines Haisa". Spater hat eine Anzahl von deutschen
Forschern an verschiedenen hoheren Pflanzen, wie Gerste, Tomaten, Wei
zen, Sojabohnen und Lein, Obst- und Zierpflanzen Mutanten analysiert
und dabei auch ihr Ertragsvermogen gepruft.
Die in USA seit einigen Jahren ausgefuhrten Untersuchungen uber indu
zierte Mutationen bei Kultur- und Zierpflanzen haben Singleton (1954,
1956) und Smith (1958) zusammengefaBt. Hier fallen vor all em Gregorys
Analysen zur Ertragssteigerung bei Erdniissen auf (1955, 1956 a, b). Auf
diese Weise gelang es auch, Resistenz gegen Stengel- und Kronenrost beim
Hafer und Stengelrost bei Weizen zu erzeugen.
Die Verwendung ionisierender Strahlen zur Induktion von vitalen
Mutanten wird nun in einer ganzen Reihe von Landern wie Kanada,
Osterreich, Argentinien, England, Ungarn, Japan, Indien und anderen be
trieben. Einige dieser neuen induzierten Mutanten sind bereits als Sorten
im Handel.
Die I nduktion von M utationen
Eine Erhohung der Mutationsrate uber das spontane Niveau kann bei
hoheren Pflanzen auf verschiedene Weise erfolgen. Nicht nur ionisierende
und ultraviolette Strahlen, sondern auch eine Behandlung mit Chemikalien,
eine Lagerung der Samen oder ein Hitzeschock des Pollens vor der Bestau
bung sind dabei geeignete Mittel. Der Eingriff kann an ruhenden oder
keimenden Samen, an Pollenkornern, an Eizellen oder an den Vegetations
punkten der wachsenden Pflanze erfolgen. Zur Induktion von praktisch be
deutungsvollen Mutanten der Kulturpflanzen wurde bisher vor aHem eine
Bestrahlung ruhender oder keimender Samen verwendet.
Muta~ionsforschung und Ziichtung 9
Neben den klassischen Strahlenquellen hat sich in neuerer Zeit eine An
lage mit radioaktivem Kobalt (60CO) bewahrt, und so werden in Brook
haven, Balsgard und Stockholm mit der von Kobalt abgegebenen Gamma
strahlung jahrlich eine groBe Anzahl von Kulturpflanzen behandelt. Die
Bestrahlung erfolgt chronisch oder akut, d. h. wahrend Teilen einer Vege
tationsperiode oder iiber die ganze Wachstums- und Reifezeit (siehe Nybom
50% Wachstumshel11mung
60 Ruhende Samen r- - . ge k·e·lm re
1 Samen
1
I
Gene
1
0
Toma[c 1
I
- I
45
I
-
1
I
1
I
-I
30
I
1
- ~ 1
-,I
I
- --
15
I """'
I
I
I
o.~ .~
'- '--
a 3 5 100
LufHeuchtigkeit: 0/0
Abb. 1: 50% ige Wachstumshemmung von Keimlingender Gerste und Tomate nach Be
strahlung von ruhenden Samcn mit verschiedenem Wassergehalt und angekeimten Samen
10 von Wettstein, Gustafsson, Ehrenberg
et a1., 1956). Besonders vorteilhaft scheint diese Anlage zur Induktion
somatischer Mutationen bei Obstbaumen und Forstpflanzen, wenn eine
entsprechende Auslesetechnik ausgearbeitet ist (Granhall und Mitarbeiter
1948-1954, Ehrenberg und Mitarbeiter 1956, Bishop 1954, Gustafsson un
veroff.).
In Abbildung 1 sind die Rontgendosen fur eine SOOfoige Hemmung des
Keimlingswachstums bei der Gerste und der Tomate wiedergegeben. Die
Tomatensamen sind durchwegs resistenter gegenuber Rontgenstrahlen als
die Gerstensamen. Die Abhangigkeit der Strahlenresistenz von dem Wasser
gehalt in den Samen zeigt in beiden Arteneine ahnliche Beziehung: Mit stei
gendem Wassergehalt ruhender Samen nimmt die Resistenz bedeutend zu,
wahrend angekeimte Samen ganz besonders empfindlich sind (Ehrenberg
1955, Lefort und Ehrenberg 1955).
16
DL .. G1'rste
I
14 I-
I
I-
12
I
I
10 - I-
I
I
8 -- - I
I
6 -- -- - I-
I
I
4 - -- -- -- - I-
I
2 - -- -- -- - I- - - -
...
-'" I
-o~ - -
"--
Q 0 30 unbehandelr 100% ruhende gekeimrc
LufHeuchrigkeir amen
Abb. 2: 50 Ofo iiberlebende Pflanzen auf dem Feld nach Bestrahlung von ruhenden
Samen mit verschiedenem Wasscrgehalt und angekeimten Samen
Mutat,ionsforsdlUng und Ziichtung 11
Den Pflanzenzlichter interessiert die Rate der liberlebenden Pflanzen auf
dem Feld. In Abbildung 2 sind flir Gerstensamen bei verschiedenen physio
logischen Zustanden die Dosen angegeben, die eine 500f0ige Letalitat (DL50)
bedingen. Diese Dosen liegen bedeutend niedriger als die der Wachstums
hemmung oder Letalitat in Gewachshausversuchen. Der Effekt der ver
schiedenen Wassergehalte - erhalten durch eine Equilibrierung der ruhenclen
Samen mit Luft von 0, 30 resp. 100 Ofo re1ativer Feuchtigkeit vor der Be
strahlung - entspricht ganz dem der Wachstumshemmung der Keimlinge.
Rechts ist noch ein Experiment mit ruhenden und keimenden Samen wieder
gegeben. Der Wassergehalt der Samen beeinflu6t nicht nur die Resistenz der
Samen, sondern auch die Rate der chromosomalen Aberrationen, der Muta
tionen und die Verteilung der Mutationstypen.
Der Einflu6 des Wassergehaltes ruhender Samen auf die Strahlenwirkung
wird durch eine Modellanalyse liber die Reaktion der Starkemoleklile bel
Bestrahlung verstandlich (Ehrenberg, Jaarma und E. C. Zimmer 1957). Be
strahlt man Starke verschiedener Feuchte, so zeigt Wasser einen schlitzenden
Effekt auf den Abbau der Starkemoleklile. Sowohl unverzweigte Amylose
wie verzweigtes Amylopektin zeigt bei 6 Ofo Wassergehalt ca. flinf Brliche
cler Polysaccharidketten per Ionenpaar. Bei 20 Wassergehalt verursacht
%
ein Ionenpaar durchschnittlich nur einen Bruch. Da der Primarvorgang der
ionisierenden Strahlen teils auf Ionisationen und teils auf Anregungen von
Atomen und Moleklilen beruht, sowie mit ein~r Ionisation gewohnlich
mehrere Anregungen verbunden sind, so dlirften bei hohem Wassergehalt
vorwiegend die Ionisationen zu einem Bruch der Polysaccharidketten flihren,
wahrend bei niederem Wassergehalt Ionisationen und Anregungen am Ab
bau der Starke beteiligt sind.
Zur Aufklarung des Einflusses des Wassergehalts der Samen auf die phy
siologische und genetrsche Strahlenwirkung sind auch die bei cler Strahlen
wirkung auftretenden freien Radikale mit starker Reaktionsfahigkeit von
Bedeutung (K. G. Zimmer, L. Ehrenberg und A. Ehrenberg 1957). Diese
konnen in Gerstenembryonen und anderen Samen mit HiIfe der Mikro
wellenspektrometrie nachgewiesen werden. Ihre Lebensdauer ist in hohem
Mage von dem Wassergehalt des Samens abhangig (A. Ehrenberg und
L. Ehrenberg 1958).
Neben dem physiologischen Zustand libt die genetische Konstitution der
Art einen bedeutenden Einflu6 auf die Strahlenempfindlichkeit aus. Nicht
nur verschiedene Arten haben eine unterschiedliche Empfindlichkeit, sondern
auch verschiedene Linien innerhalb ein und derselben Art konnen bezliglich
12 von Wettstein, Gustafsson, Ehrenberg
des AusmaBes der physiologischen Storungen durch eine bestimmte Strahl en
dosis ungleich sein (Lamprecht 1956, Gelin et al. 1958).
Auch die strahleninduzierte Mutabilitat einzelner Loci kann durch das
genotypische Milieu beeinfluBt werden. In der zweizeiligen Goldgerste sind
von den acht analysierten Erectoides-Mutationen nicht weniger als vier am
Locus b eingetreten. Dieser Locus konnte in zwei anderen Sorten, Maja
und Bonusgerste, bisher nicht durch Bestrahlung zum Mutieren veranlaBt
werden, obgleich in diesen Sorten 8 resp. 65 Mutationen vom Erectoides
Typus lokalisiert wurden.
Zur genetischen Konstitution kann die ChromosomengroBe gerechnet wer
den. Vielfach scheinen Arten mit groBen Chromosomen strahlenempfind
licher zu sein als solehe mit kleinen (Sparrow und Christensen 1953, Nybom
1956). Als Beispiel sei hier der Effekt von Gamma-Strahlen auf wachsende
Pflanzen von Pinus silvestris und Populus "robusta" genannt. In Abbil
dung 3 sind die meiotischen Chromosomen von Pinus silvestris, Populus
robusta und tremula in gleicher VergroBerung wiedergegeben. Die 24 Kie
fernchromosomen sind von beachtlicher GroBe, wahrend die Pappelarten
38 sehr kleine Chromosomen haben. Bestrahlungsversuche zeigen, daB Kie-
c
Abb. 3: Mctaphase-Chromosomen dcr Mciosc im Pollenkorn: a) Pinus silvestris (12 Biva
]cnte tcilwcise asynaptisch), b) Populus "robusta" und c) Populus tremula (19 Bivalente).
Vergro{)crung 3000 X. [a) nach Runqvist, b) nach van Dillewijn, c) nach Johnsson.]
