Kombinationseignung und Heterosis
 

1. Einleitung
      1.1. Arten der Kombinationseignung
2. Feststellung der Kombinationseignung
      2.1. Polycross
      2.2. Topcross
      2.3. M x N Kreuzungssystem
      2.4. Diallele Kreuzungen
3. Diallele Kreuzungen nach Griffing
      3.1. Analyse eines Griffing-Diallels, Methode 4, Modell I
4. Beispiele
     4.1. Diallel, Methode 4
     4.2. M x N mating
     4.3. Topcross
5. Heterosis
LITERATUR
 

1. Einleitung

Die Kombinationseignung bewertet das „Verhalten“ eines Genotyps in unterschiedlichen Kreuzungen; ein „Kreuzungselter“ besitzt hinsichtlich eines bestimmten Merkmals eine „gute Kombinationseignung“, wenn Kreuzungsnachkommenschaften dieses Elters in ihren Merkmalsausprägungen über denen von vergleichbaren Nachkommenschaften anderer Kreuzungseltern liegen.
Die Feststellung der Kombinationseignung erfolgt mit Hilfe von verschiedenen Testkreuzungssystemen und ist v.a. in der Hybridzüchtung und in der Züchtung synthetischer Sorten zur Beurteilung von Inzuchtlinien bzw. Komponenten von besonderer Bedeutung. Die Kombinationseignung kann auch zur Bewertung von Kreuzungskombinationen in der Linienzüchtung bei Selbstbefruchtern verwendet werden; sie ist hier jedoch von geringerer praktischer Bedeutung.

!!! Die Kombinationseignung eines bestimmten Genotyps ist nur durch bestimmte Kreuzungssysteme an den Nachkommenschaften ermittelbar.
 

1.1. Arten der Kombinationseignung

Die Begriffe 'general combining ability' und 'specific combining ability' wurden 1942 von Sprague & Tatum eingeführt. Das Prinzip einer gezielten Linienselektion durch Nachkommenschaftsprüfungen zur züchterischen Verbesserung wurde allerdings bereits 1850 von Louis de Vilmorin (Vilmorin-Isolationsprinzip) erkannt.

(a) allgemeine Kombinationseignung (‘general combining ability’, GCA)

Die GCA einer Linie in einem Kreuzungssystem stellt die (positive bzw. negative) Abweichung des Mittelwertes der Nachkommenschaft dieser Linie vom Gesamtmittelwert aller Nachkommenschaften des Kreuzungssystems bezüglich eines Merkmals dar.

(b) spezifische Kombinationseignung (‘specific combining ability’, SCA)

Die SCA ist die (positive bzw. negative) Abweichung einer best. Kreuzungskombination von jenem Wert, der aufgrund der GCA-Werte der beiden Eltern für diese Kombination zu erwarten gewesen wäre.

In der Hybridzüchtung wird aus der Vielzahl möglicher Kombinationen von zwei Inzuchtlinien jene Kombination für die Produktion von Hybridsaatgut ausgewählt, welche sich durch die größte F₁-Leistung (Hybridleistung) und damit durch eine positive SCA der beiden Elternlinien auszeichnet. Genetisch wird eine hohe SCA durch Dominanz-, Überdominanz- oder andere Effekte erklärt, während die GCA einer Linie als Ergebnis additiver Vererbung angesehen wird.
 

2. Feststellung der Kombinationseignung

Die Schätzung der Kombinationseignung einer Linie erfolgt anhand bestimmter Testkreuzungen, z.B. Polycross und Topcross erlauben die Feststellung der GCA von Genotypen; die arbeitsaufwendigeren Methoden des M x N-Kreuzungssystems und der Diallelen Kreuzung lassen sowohl eine Schätzung der GCA als auch der SCA zu. Um den mit Testkreuzungen verbundenen hohen Aufwand zu reduzieren, wird neuerdings versucht, mit Hilfe molekularer Marker die genetische Diversität zwischen Linien zu bestimmen, um eine Vorhersage der Heterosis bzw. Kombinationseignung zu erlangen.
 

2.1. Polycross

... dient zur Feststellung der GCA von Zuchtmaterial (i.d.R. Klone, offen abblühende Sorten, teilweise ingezüchtete Populationen); üblich in der Populationsverbesserung und Züchtung synthetischer Sorten (Synthetics) bei fremdbestäubenden  Futter- und Grünlandpflanzen.

Durchführung:
Zu prüfendes Material (nach vorangegangener Prüfung und Selektion auf Eigenleistung) wird auf einem isolierten Polycrossfeld („Polycrossblock“) zur freien Bestäubung angebaut. Zu berücksichtigen ist, daß nie zwei Pflanzen der gleichen Komponente nebeneinander ausgepflanzt werden (die einzelnen Pflanzen müssen gekennzeichnet werden!; je Komponente stehen zwischen 10 und 30 Pflanzen im Polycrossblock). Jede Komponente soll von jeder anderen zu einem etwa gleichen Anteil bestäubt werden. Selbstbestäubung sollte durch den Einsatz selbststeriler Formen (Selbstinkompatibilität) unterbunden werden. Bei teilweiser Selbstfertilität sollten alle Komponenten etwa dieselbe Rate an Selbstbefruchtung aufweisen, um die Schätzung der GCA nicht zu verzerren.
Einzelne, gekennzeichnete Pflanzen werden geerntet, und die Samen von allen Pflanzen der gleichen Komponenten dienen als Saatgut für eine Leistungsprüfung in einem Feldversuch. Die aufgrund ihrer GCA besten Klone werden in weiteren Züchtungsschritten verwendet, z.B. zur Herstellung einer synthetischen Sorte,  oder stellen zusammen eine verbesserte Population dar.
Da mit dem Polycross-Test die GCA der Komponenten durch freie Bestäubung jeder Komponente durch alle anderen (Pollengemisch) ermittelt wird, ist es nötig, die einzelnen Genotypen in einer genügend großen Anzahl an Wiederholungen anzubauen und randomisiert anzuordnen, sodaß eine möglichst gleichmäßige Bestäubung aller Klone durch das Pollengemisch gewährleistet ist (Voraussetzung: gleicher Blühzeitpunkt). Für die Erhaltung der einzelnen Komponenten ist eine vegetative Vermehrbarkeit, z.B. Stockteilung bei Gräsern, von Vorteil.
Besteht ein Synthetic nur aus wenigen Komponenten ist die Auswahl dieser aufgrund der GCA theoretisch nicht optimal, da es mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zu Paarungen zwischen Pflanzen der gleichen Komponenten kommt. Die einzelnen Komponenten sollten auch hohe Eigenleistung besitzen, d.h. es sollte v.a. auch eine hohe allgemeine Sorteneignung (‘general varietal ability’, GVA) vorhanden sein (Kombination aus GCA und Eigenleistung).
 

2.2. Topcross

... dient zur Feststellung der GCA von Linien und wird v.a. dann eingesetzt, wenn eine große Anzahl an Genotypen zu prüfen ist, z.B. Maiszüchtung: Vielzahl an Inzucht-Linien werden mit Hilfe des Topcross auf GCA vorselektiert, bevor die Kombinationen mit der besten SCA gesucht werden.

Durchführung:
Zu prüfende I-Linien werden nicht von einem Pollengemisch, sondern von einem speziell dazu ausgewählten Pollenspender („Tester“) bestäubt. I-Linien und Tester werden isoliert reihenweise nebeneinander angebaut, Kastration oder Selbststerilität der I-Linien erforderlich, damit I-Linien vom Tester bestäubt werden können (I-Linien werden somit i.d.R. als Mutter, der/die Tester als Vater verwendet).
Das Kreuzungssaatgut wird geerntet und im darauffolgenden Jahr einer, wenn möglich, mehrortigen Leistungsprüfung unterzogen. Die Leistung der F₁-Hybriden dient als Maß für die GCA. Die aufgrund ihrer GCA besten Linien werden in weiteren Züchtungsschritten eingesetzt. Bei schwer zu kastrierenden Arten kann Kreuzungssaatgut auch dadurch gewonnen werden, daß die Pflanzen des Testers zahlenmäßig stark in der Überzahl sind („Pollenübergewichtskreuzung“).

Tester:
Entscheidend für die Effizienz des Topcross-Tests ist die Wahl des Testers. Der Tester kann z.B. eine offen abblühende Sorte, eine synthetische Sorte, eine I-Linie oder auch ein Hybrid sein. Wichtig ist, daß der Tester die zu prüfenden Linien in den bedeutenden Eigenschaften klassifizieren und differenzieren kann und nicht mit diesen verwandt ist. Es ist zu berücksichtigen, daß ein „schwacher“ Tester besser zwischen Linien differenziert (etwa im Ertrag) als ein ertragreicher oder ein an vielen Genloci dominanter, der die zu testenden Linien maskiert. Bei Verwendung eines „starken“ Testers wiederum, besteht die Möglichkeit, daß bereits aus der Testkreuzung eine Hybridsorte entstehen kann. Die Frage nach dem bestmöglichen Tester kann auf jeden Fall dahingehend beantwortet werden, daß man nie einen einzelnen Tester verwenden soll!
Für die erfolgreiche Durchführung des Topcross ist weiters die gleichzeitige Blüte von Tester und zu testenden Linien erforderlich, im Vergleich zum Polycross besteht hier jedoch die Möglichkeit, eine gleiche Blütezeit durch gestaffelte Aussaat des Testers zu erreichen.
Was den Zeitpunkt der Durchführung des Topcross in der Maiszüchtung betrifft, so kann man zwischen dem Testen von relativ homozygoten I-Linien (nach vielen Inzuchtgenerationen) und dem „frühen Testen“ (‘early testing’: Testung der S_o - oder S₁ - Pflanzen) unterscheiden.

2.3. M x N Kreuzungssystem

Ein M x N-Kreuzungssystem (‘M x N diallel’, ‘M x N mating’, ‘factorial’) liegt dann vor, wenn eine Anzahl von m Mutterlinien mit einer Gruppe von n Vaterlinien systematisch gekreuzt wird, sodaß m x n Hybride entstehen. Mit Hilfe eines solchen Kreuzungssystems ist es möglich, sowohl die GCA der Linien als auch die SCA ganz bestimmter Kombinationen zu schätzen.
 

2.4. Diallele Kreuzungen

Von diallelen (od. zyklischen) Kreuzungen spricht man, wenn alle zwischen einer bestimmten Anzahl von Linien möglichen Kreuzungskombinationen durchgeführt und die entstandenen Hybride geprüft werden. Anhand von solchen Diallelen können ebenfalls die GCA der einzelnen Linien sowie die Effekte der SCA in bestimmten Kombinationen ermittelt werden. Der Unterschied zum M x N-Design besteht darin, daß im Diallel jede Linie sowohl Pollen- als auch Samenelter (Vater u. Mutter) ist. Von den verbreitetsten Verfahren zur Analyse dialleler Kreuzungen soll im folgenden auf das von Griffing näher eingegangen werden.
 

3. Diallele Kreuzungen nach Griffing

Grundsätzlich sind in einem Diallel von p Elternlinien p² Kombinationen möglich, die sich aus p Selbstungen, p*(p-1) / 2 Kreuzungen und p*(p-1) / 2 reziproken Kreuzungen zusammensetzen.
Nach Griffing (1956) können vier verschiedene Methoden in Abhängigkeit davon unterschieden werden, ob Eltern, F₁ und reziproke F₁ in die Analyse einbezogen werden oder nicht:

METHODE 1 (‘complete diallel’):
Das komplette Diallel besteht aus Eltern, F₁-Hybriden und reziproken F₁-Hybriden (p² Kombinationen) und ermöglicht die Feststellung von reziproken Effekten und der Heterosis.

METHODE 2  (‘half diallel’):
Eltern sowie ein Satz an F₁-Hybriden werden in die Analyse einbezogen. Es gibt somit p*(p+1) / 2 Kombinationen die eine Feststellung der Heterosis ermöglichen.

METHODE 3:
Das Diallel setzt sich nur aus F₁-Hybriden und reziproken F₁-Hybriden zusammen (p*(p-1) Kombinationen), somit sind nur reziproke Effekte meßbar.

METHODE 4:
Nur ein Satz an F₁-Hybriden (p*(p-1) / 2 Kombinationen).

Jene Methoden, welche die Eltern nicht miteinbeziehen, werden auch als modifizierte Diallele (‘modified diallels’) bezeichnet.
Darüber hinaus kann zwischen zwei Modellsituationen unterschieden werden, die sich auf die Frage beziehen, ob die Elternlinien zusammen eine Population darstellen oder ob sie eine Zufallsstichprobe aus einer größeren Population sind:

Modell I: Die Eltern selbst sind die Population, auf die geschlossen werden soll (‘fixed model’); Aufgabe der Analyse ist es,

     die Kombinationseignung dieser tatsächlich verwendeten Eltern zu vergleichen und die beste Elternkombination

     herauszufinden.

Modell II: Die Eltern werden als eine Zufallsstichprobe aus einer größeren Population angesehen (‘random model’); die aus

     der Analyse gezogenen Schlußfolgerungen nehmen auf diese Population Bezug.

In der praktischen Pflanzenzüchtung, wo eine Aussage über die Kombinationseignung von bestimmten Linien angestrebt wird, geht man meist von Modell I aus. Was die anzuwendende Methode betrifft, so liefert die mit dem geringsten Kreuzungs- und Prüfungsaufwand verbundene Methode 4 bereits alle für die Hybridzüchtung erforderlichen Informationen über die Kombinationseignung der Linien. Wird jedoch das Auftreten reziproker Effekte angenommen, so kann Methode 3 angewandt werden. Da man im Rahmen der Hybridzüchtung vor allem an den F₁-Hybriden und nicht an den Eltern interessiert ist, müssen letztere nicht in eine Analyse inkludiert werden, lediglich in speziellen Fällen, in denen auch die Eltern eine Rolle spielen können, z.B. bei der Züchtung synthetischer Sorten, sollten diese miteinbezogen werden.

Die praktische Durchführung einer diallelen Kreuzung geschieht in der Weise, daß zunächst alle erforderlichen Einzelkreuzungen entsprechend der gewählten Methode und mit allen in das Diallel einbezogenen Linien ausgeführt werden. Zur Auswahl der Linien sei angemerkt, daß aufgrund des großen Arbeitsaufwandes (aus 100 Linien lassen sich im geringsten Fall bereits (100 * 99) / 2 = 4950 verschiedene F₁-Kombinationen herstellen) nur kleine Diallele arbeitsmäßig zu bewältigen sind, weshalb das Gros der Linien im Rahmen einer Vorselektion auf allgemeine Kombinationseignung (mittels Topcross) eliminiert werden muß.

Die aus den Kreuzungen gewonnenen F₁-Hybride werden in einem Feldversuch in mehreren Wiederholungen geprüft. Als Versuchsanlage eignet sich eine randomisierte, vollständige Blockanlage. Grundsätzlich sei angemerkt, daß neben F₁-Hybriden auch spätere Generationen analysiert werden können, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn in der F₁-Generation (v.a. bei Selbstbefruchtern) zuwenig Saatgut für einen Feldversuch mit Wiederholungen vorhanden ist. Der Feldversuch wird varianzanalytisch ausgewertet, die dabei festgestellte Fehlervarianz und die Prüfgliedermittelwerte werden in einer zweiten Varianzanalyse verwendet, um die Komponenten der Kombinationseignung schätzen zu können.
 

3.1. Analyse eines Griffing-Diallels, Methode 4, Modell I

Zunächst wird die Gesamtvarianz in einen GCA-, einen SCA- und einen Fehleranteil (wird aus der Varianzanalyse des Feldversuchs übernommen) zerlegt und die Signifikanz dieser Varianzursachen geprüft.
Dieser Analyse liegt folgendes mathematisches Modell zugrunde:

Das bedeutet, daß der Merkmalswert x_ij der Kreuzung des i-ten mit dem j-ten Elter als aus dem Gesamtmittelwert, der allgemeinen Kombinationseignung der beiden Eltern, der spezifischen Kombinationseignung der Kombination sowie einem Fehlereffekt zusammengesetzt gedacht wird. Eine nicht signifikante SCA-Varianz bedeutet nach diesem Modell, daß jede Hybridkombination aufgrund des Gesamtmittelwertes und der GCA-Werte der Eltern bereits adäquat vorhergesagt werden kann, und die beste Kombination entsteht, wenn die beiden Eltern mit den höchsten GCA-Werten gekreuzt werden.
Zur Bestimmung der GCA der Linien wird für jede Linie ein „Linienmittelwert“ über alle F₁-Hybriden, an denen diese Linie als Elter beteiligt ist, gebildet; danach kann die GCA der Linien als positive oder negative Abweichung des jeweiligen Linienmittelwertes vom Gesamtmittelwert errechnet werden. Die Summe aller GCA-Werte des Diallels ergibt Null:

Um die SCA der einzelnen Kombinationen zu ermitteln, kann ein aus dem Gesamtmittelwert und den GCA-Werten der beiden Eltern zusammengesetzter „Erwartungswert“ für den Hybrid errechnet werden; die SCA dieser Hybridkombination stellt dann die positive oder negative Abweichung des tatsächlich gemessenen Merkmalswertes vom „Erwartungswert“ dar. Auch die Summe aller SCA-Werte über jeden Elter ergibt Null:

Die Signifikanz von Differenzen zwischen verschiedenen GCA- oder SCA-Werten kann mit Hilfe von einfachen t-Tests ermittelt werden. Darüber hinaus können auf Basis der Fehlervarianz aus dem Feldversuch Varianzen von verschiedenen Werten, Effekten und Differenzen geschätzt werden.
Die Analysen von Diallelen gemäß den anderen Methoden nach Griffing erbringen im Prinzip ähnliche Resultate; die Methoden 1 und 3 erlauben auch eine Überprüfung der Signifikanz von reziproken Effekten.
 

Abb. 1.: Züchtungsablauf bei der Züchtung eine Hybridsorte (links) bzw. einer synthetischen Sorte (rechts)
 
 

4. Beispiele

4.1. Diallel, Methode 4
 
 

	Linie B	Linie C	Linie D	S Linie	GCA Linie	GCAcorr Linie
Linie A	6.7125	6.39	5.47	18.5725	0.126	0.1894
SCA	0.097	0.147	-0.118
SCAcorr	-0.178	0.058	0.12
Linie B		6.9	5.855	19.4675	0.425	0.6369
SCA		0.359	-0.031
SCAcorr		0.12	0.058
Linie C			5.06	18.35	0.052	0.0781
SCA			-0.454
SCAcorr			-0.178
Linie D				16.385	-0.603	-0.9044
S				72.775	0.0	0.0

S_ij = 36.3875

X_G = 6.0646

GCA_A = (S_A / (n - 1)) - X_G = (18.5725 / 3) - 6.0646 = 0.126

SCA_AB = x_AB - X_G - GCA_A - GCA_B = 6.7125 - 6.0646 - 0.126 - 0.425 = 0.097

Korrekturfaktor: (n - 1) / (n - 2)

GCA_corrA = 0.126 * 1.5 = 0.1894

SCA_corrAB = 6.7125 - 6.0646 - 0.189 - 0.637 = -0.178
 
 
 

4.2. M x N mating
 
 

	Linie A	Linie B	Linie C	Linie D	Linie E	S Linie	GCA Linie
Linie P	10.1	19.7	20.5	10.7	10.7	71.7	0.15
SCA	-0.88	2.25	1.22	-1.48	-1.11
Linie Q	14.1	18.4	22.5	15.1	12.9	83.0	2.41
SCA	0.86	-1.31	0.96	0.66	-1.17
Linie R	8.3	13.8	14.4	10.3	11.4	58.2	-2.55
SCA	0.02	-0.95	-2.18	0.82	2.29
S Linie	32.5	51.9	57.4	36.1	35.0	212.9
GCA Linie	-3.36	3.11	4.94	-2.16	-2.53

X_G = 14.1933

SCA_AP = x_AP - X_G - GCA_A - GCA_P = 10.1 - 14.1933 - 0.15 + 3.36 = -0.88
 

_{4.3. Topcross}
 
 

Inzuchtlinie	Eigenleistung	Topcross-    leistung	GCA	Df Topcross- - Eigenleistung	Heterosis (% des besseren Elters)
1	15	24	4.8	9	60.0
2	14	16	-3.2	2	14.3
3	13	18	-1.2	5	38.5
4	18	21	1.8	3	16.7
5	16	17	-2.2	1	6.3
Tester	12
Mittelwert		19.2	0.0

 

5. Heterosis

Kreuzt man zwei genetisch unterschiedliche homozygote Pflanzen miteinander, so ist die F₁ i.d.R. wüchsiger und ertragreicher als das Mittel der beiden Eltern, diese Mehrleistung wird als Heterosis bezeichnet. Wird die F₁ in den folgenden Generationen geselbstet, so kommt es zu einem Absinken der Leistung, der sogenannten Inzuchtdepression. Nach einer größeren Anzahl von Selbstungen sind die Pflanzen wieder weitgehend homozygot. In diesen homozygoten Linien sind die elterlichen Gene neu kombiniert, der Mittelwert aller homozygoten Linien gleicht dem Leistungsniveau der beiden ursprünglichen Eltern.

Die Höhe der Heterosis ist wesentlich vom Befruchtungssystem abhängig. Die Evolution hat bei Selbstbefruchtern immer jene Genotypen bevorzugt, die im homozygoten Zustand eine hohe Leistung erbrachten, während bei Fremdbefruchtern eine vollständige Homozygotie in natürlichen, sich zufällig paarenden Populationen nicht vorkommt. In solchen Populationen sind i.d.R. zahlreiche rezessiv vererbte Defekte verborgen, die bei Selbstung zur Inzuchtdepression führen. Im Gegenzug dazu ist die Heterosis bei Fremdbefruchtern, z.B. bei der Kreuzung zweier Inzuchtlinien, deutlich höher als bei Selbstbefruchtern. In der Folge hat sich die Hybridzüchtung v.a. bei Fremdbefruchtern (Mais, Sonnenblume, Gemüse, Roggen etc.) besonders durchgesetzt.

Die Heterosis ist i.d.R. auch umso höher, je komplexer (quantitativer) ein Merkmal vererbt wird, z.B. Ertrag. Bei Qualitätseigenschaften wie Öl- oder Proteingehalt findet man hingegen geringere Heterosis. Um eine möglichst hohe Heterosis, unabhängig vom Befruchtungssystem und der Vererbung des Merkmals, zu erreichen, sollen v.a. die beiden Eltern genetisch möglichst weit voneinander entfernt, d.h. unterschiedlich, sein.

Die Messung der Heterosis erfolgt wie oben angeführt am Elternmittel. Man spricht von der sogenannten 'mid parent heterosis'. Züchterisch interessant ist v.a. jedoch die Mehrleistung gegenüber dem besseren Elter, die sogenannte 'better parent heterosis' oder Heterobeltiosis. Niemals ist jedoch die Heterosis alleine von Interesse, sondern die Hybridleistung, also die Summe aus Elternmittel und Heterosis.
 

Literatur
BAKER, R.J., 1978: Issues in diallel analysis. Crop Sci. 18:533-536
BHULLAR, G.S., GILL, K.S., KHEHRA, A.S., 1979: Combining ability analysis over F₁-F₅ generations in diallel crosses of bread wheat. Theor. Appl. Genet. 55:77-80.
CHRISTIE, B.R., SHATTUCK, V.I., 1992: The diallel cross: design, analysis and use for plant breeders. In: Janick J (ed.), Plant Breeding Reviews 9, 9-36. John Wiley & Sons Inc., New York.
GRIFFING, B., 1956: Concept of general and specific combining ability in relation to diallel crossing systems. Aust. J. Biol. Sci. 9:463-493.
HAYMAN, B.I., 1954: The analysis of variance of diallel tables. Biometrics 10:235-244.
JINKS, J.L., 1954: The analysis of heritable variation in a diallel cross of Nicotiana rusticana varieties. Genetics 39:767-788.
RUCKENBAUER, P., TANASCH, L., 1975: Möglichkeiten und Grenzen dialleler Kreuzungsanalysen für die Wahl der Kreuzungseltern in der Kreuzungszüchtung. Bericht 26. Züchtertagung, 229-241. BAL Gumpenstein.