Zielgerichtet züchten

Die Pflanzenzucht ist ein elementarer Grundbaustein unserer Lebensmittelversorgung. Ihre Ziele sind seit Jahrtausenden die gleichen: robuste Pflanzen, hohe Erträge und Ernten von guter Qualität. Neu sind hingegen einige Züchtungsmethoden, die ein enormes Potenzial für die Landwirtschaft mitbringen.

Ob Marktstand, Tante-Emma-Laden oder Supermarkt: Weite Teile unseres Lebensmittelangebots haben wir unseren Vorfahren zu verdanken. Über Jahrtausende hinweg entwickelten sie durch Züchtung die Lebensmittel, die für uns heute selbstverständlich sind. Selbst auf biotechnologische Verfahren griffen sie beim Herstellen von Wein, Bier oder Sauerkraut zurück. Das Ansinnen, Organismen zu nutzen und landwirtschaftliche Erzeugnisse zu optimieren, ist also nicht neu. Neue Techniken der Pflanzenzüchtung ermöglichen es Landwirtinnen und Landwirten heute, beim Anbau auf Pflanzen mit optimierten Eigenschaften zurückgreifen zu können.

  • Ausrufezeichen

    Praktisch alle Produkte im Lebensmittelhandel sind das Ergebnis von Züchtung und kontinuierlicher Verbesserung durch den Menschen.

Die Zuchtwege populärer Zitrusfrüchte

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Warum werden Pflanzen durch Zucht verändert?

Mit der Pflanzenzucht lassen sich wirtschaftliche, ökologische und gesellschaftliche Ziele verfolgen. Die wichtigsten sind: 

  • Minimierung von Ernteausfällen durch höhere Schädlings- und Krankheitsresistenzen und durch bessere Nutzung von Nährstoffen.
  • Höhere und stabilere Erträge: mehr Früchte pro Pflanze.
  • Nachhaltigerer und spezifisch wirkender Pflanzenschutz durch noch gezielteren Einsatz von Pflanzenschutzmitteln.
  • Anpassung an den Klimawandel, unter anderem durch erhöhte Trockenheits- oder Hitzetoleranzen und an neue Schaderreger.
  • Optimierung des Nährstoff- und Energiegehalts für z. B. mehr Vitamine pro Frucht.
  • Verringerung des Verbrauchs von natürlichen Ressourcen (Flächen, Wasser) durch robustere, ertragreichere und genügsamere Pflanzen.
  • Klimaschutz: Bessere Produktion von Biomasse als optimal geeigneter Rohstoff und Teil einer CO2-freien Energiewirtschaft und Bioökonomie.

 

Schon gewusst?

Tonnen CO2-Emissionen und der Verbauch von 1 Mio. ha Fläche wurden allein zwischen 1991 und 2010 durch Erfolge in der Pflanzenzucht verhindert. 
(Quelle: Grain Club „Trendbrief Agrarwirtschaft" Nr. 5, Juli 2018)

Wie werden Pflanzen gezüchtet?

Die Pflanzenzucht basiert grundsätzlich auf der Neukombination von Erbmaterial – auch unter Herbeiführung von Mutationen. Sie soll in der Nachkommengeneration gewünschte Eigenschaften hervorrufen. Dafür existieren unterschiedliche Verfahren.
 

Die wichtigsten Methoden der Pflanzenzucht

  • Zahl eins

    Kombinationszüchtung: Bei der heute gängigsten Methode wird das gesamte Erbgut zweier Linien miteinander vermischt, also neu kombiniert und auf die Nachkommenschaft verteilt (Mendelsche Gesetze). Diese Nachkommen bilden aufgrund der genetischen Neukombination auch neue Eigenschaften aus. In der Folge werden wünschenswerte Merkmale über mehrere Generationen hinweg stabilisiert.

  • Zahl zwei

    Mutagenese: Hitze, Kälte, radioaktive Bestrahlung oder chemische Substanzen triggern zahlreiche Mutationen und verändern die Eigenschaften von Kulturpflanzen.

  • Zahl drei

    Pflanzenbiotechnologie: Mit biotechnologischen Verfahren wird das Erbgut einer Pflanze direkt und gezielt verändert und somit auch ihre Eigenschaften.

  • Die Früchte der klassischen Züchtung sind zahlreich, wenn auch nicht immer als solche bekannt: Mais beispielsweise züchteten die Ureinwohner Mittelamerikas durch Auslese aus einfachem Gras. Bereits vor 10.000 Jahren bauten Siedler Getreide im fruchtbaren Zweistromland an und sortierten bei jeder Ernte die Pflanzen mit den besten Körnern aus. Die Auslese von Emmer und Einkorn, den Urformen des Weizens, markiert den Anfang der Pflanzenzüchtung. 
    Unser Weiß-, Rot- und Grünkohl sowie Wirsing, Kohlrabi, Broccoli, Spitz- und Rosenkohl sind – trotz ihres stark unterschiedlichen Aussehens – Zuchtformen des Gemüsekohls Brassica oleracea. Babykarotten, Cocktail-Tomaten und kernlose Wassermelonen sind Züchtungsergebnisse der jüngeren Vergangenheit. 
    In der Bevölkerung stoßen die historische Auslese- und die heute weit verbreitete Kombinationszüchtung (s.o.) als tradierte Kulturtechniken auf überwiegende Zustimmung (59,7 Prozent, Quelle: TechnikRadar 2020 der Körber-Stiftung). Zum Teil wenden Hobbygärtner diese im heimischen Garten selbst an, die Grundzüge der Vererbungslehre – Stichwort: Mendelsche Erbsenexperimente – sind aus dem Schulunterricht bekannt.

    Herkömmliche Verfahren lassen Wünsche offen 

    Bei der Kombinationszüchtung vermischen sich die Gene rein zufällig. Zudem ist sie zeitintensiv und aufwendig. Denn kreuzt man Pflanzen, um gewünschte Eigenschaften zu übertragen, werden in der Regel auch eine Reihe unerwünschter Eigenheiten mitübertragen. Notwendig werden dann langwierige Rückkreuzungsprozesse, um die Negativeffekte in zukünftigen Generationen wieder zu entfernen. Bis zur Marktreife vergehen so durchaus zehn bis fünfzehn Jahre. Außerdem lassen sich bestimmte Ziele wie Resistenzen gegen Schädlinge oder bestimmte Krankheiten durch traditionelle Züchtung nicht erreichen. Das gilt vor allem dann, wenn Erreger aus anderen Weltregionen eingeschleppt wurden und heimische Pflanzen keine Resistenzen entwickeln konnten.

  • Mit der Mutagenese lassen sich in einem Verfahrensschritt weitaus mehr Mutationen erzeugen als in der Kombinationszüchtung. Dadurch steht mehr genetische Varianz für die nachfolgenden Züchtungsschritte zur Verfügung. Dazu werden die Pflanzensamen bewusst erbgutverändernden Einflüssen wie Kälte- und Wärmeschocks, ionisierender oder radioaktiver Strahlung oder auch chemischen Substanzen ausgesetzt. Die so erzeugten Mutationen sind zufällig. Die meisten von ihnen sind neutral, wenige sind negativ und sehr wenige positiv. Letztere können in zukünftige Generationen eingekreuzt werden. Über 3200 neue Pflanzensorten sind bis 2017 auf den Markt gekommen, die durch Mutagenese entwickelt wurden.

Pflanzenbiotechnologie: Züchten mit dem Feinwerkzeug

Die klassische Gentechnik ist vor allem in der modernen Saatzucht immer noch von Bedeutung. Statt wie in der Kombinations- und Mutagenesezüchtung von zufälligen Mutationen abhängig zu sein, werden hier bestimmte Gene in das Erbgut von Pflanzen eingefügt. So können Veränderungen gezielt hervorgerufen werden. Doch wie kommt das Genmaterial in die Pflanzenzelle?

Mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren werden Gene bzw. Genkonstrukte direkt in das Genom einer Pflanze eingebracht. So kann z. B. ein spezielles Bodenbakterium DNA in pflanzliche Zellen übertragen und als „Vehikel“ genutzt werden. Dabei lassen sich allerdings nicht alle Teilaspekte exakt aussteuern (z. B. die Stelle im Genom, an der die Veränderungen stattfinden) und die Verfahren sind mit großen Aufwänden verbunden, also zeit- und kostenintensiv.

Genome Editing: schneller, einfacher und hochpräzise

Genome Editing (GE) ist eine der bedeutendsten Innovationen in der Molekularbiologie seit Jahrzehnten. Es ermöglicht das Bearbeiten von DNA-Bausteinen mit bislang unbekannter Präzision und Zielgerichtetheit. Einzelne Gene können ein- und ausgeschaltet, repariert, eingefügt, entfernt, ersetzt oder reguliert werden.

Die Vorteile des Genome Editing in der Pflanzenzucht:

  • Mutationen können gezielt gesetzt werden und sind keine Zufallsprodukte mehr. 
  • Unerwünschte Eigenschaften, die aufwendig zurückgezüchtet werden, entfallen.
  • Das Verfahren ist besonders schnell. Dadurch kann auf neuartige Krankheiten und Schädlinge, die im Zuge des Klimawandels vermehrt auftreten, rascher reagiert werden,
  • Genome Editing ist relativ kostengünstig und ist dadurch einem größeren Anwenderkreis, wie der öffentlichen Forschung und KMUs zugänglich.
  • Nicht-transgene Pflanzen aus Genome-Editing enthalten kein fremdes Erbgut und unterscheiden sich nicht von klassisch gezüchteten Pflanzen oder zufälligen Mutationen auf dem Acker. 

Insbesondere das als „Gen-Schere“ bekannte Verfahren CRISPR/Cas hat in kurzer Zeit einen Siegeszug durch die Labors dieser Welt angetreten, der 2020 in der Verleihung des Chemie-Nobelpreises gipfelte.
 

Was bedeutet „CRIPSR/Cas“?

Die Abkürzung CRISPR steht für „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, was als „kurze Palindrom-Wiederholungen, die gehäuft auftreten und regelmäßig unterbrochen sind“ übersetzen kann. Ganz allgemein ist ein Palindrom eine Zeichenfolge, die vorwärts und rückwärts gelesen werden kann. Im Deutschen etwa das Wort „Rentner“. Diese auffälligen Abschnitte in der DNA eines Organismus dienen der Gen-Schere zur Orientierung. Den eigentlichen Schnitt beim Genomeditieren erledigt Cas, ein mit CRISPR assoziiertes Protein.

Hat ausgerechnet die Gen-Schere natürliche Wurzeln?

Ja. Ursprünglich stammt das CRISPR/Cas-System aus Bakterien. Es dient ihnen als eine Art Immunsystem, mit dem sie Viren anhand zuvor gespeicherter DNA-Fragmente erkennen und abwehren können. Nachdem dieser Mechanismus im Einzelnen erforscht worden war, hatten Wissenschaftler vor wenigen Jahren die wegweisende Idee, daraus ein allgemeines molekularbiologisches Werkzeug zu entwickeln. Der Erfolg übertraf alle Erwartungen. Denn die Gen-Schere funktioniert nicht nur bei Bakterien, sondern bei allen lebenden Zellen – in menschlichen, aber auch in denen von Tieren und Pflanzen.

Wie funktioniert CRISPR/Cas?

Die Gen-Schere besteht aus zwei Werkzeugen: Die Guide-RNA identifiziert als „Navigator“ die zu bearbeitende Ziel-DNA-Sequenz und dockt die Gen-Schere dort an. Das Cas9-Schneideprotein bewirkt exakt an dieser Stelle den Bruch der DNA-Doppelhelix, erledigt also den Schnitt durch den DNA-Strang. 

An dieser Position lässt sich nun die gewünschte Geneditierung durchführen: Entweder durch das Austauschen oder Entfernen einzelner DNA-Bausteine oder durch das Einfügen einer neuen DNA-Sequenz. Das Zusammenfügen des veränderten DNA-Abschnitts, quasi dessen „Heilung“, erledigen im Anschluss die zelleigenen Reparaturssysteme. Abgesehen vom Einfügen einer neuen, längeren Gen-Sequenz entsprechen diese Reparaturvorgänge natürlichen Vorgängen wie sie in der Natur ebenfalls stattfinden.

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CRISPR/Cas: weltweiter Siegeszug …

Weltweit wurden schon über 40 Kulturpflanzenarten mit Genome Editing bearbeitet: Reis vor allem, gefolgt von Mais, Weizen, Sojabohnen, Kartoffel und Tomaten. Hinzu kommen viele Gemüse- und Obstarten, Wein und auch Zierpflanzen. Neben der noch dominierenden Grundlagenforschung existieren auch einige marktorientierte Forschungsprojekte. Sie streben nicht nur ökonomische Ziele an, wie Ertragssteigerungen, erhöhte Resistenzen oder Klimatoleranz, sondern auch eine verbesserte Lebensmittelqualität.

Forscher konnten mit CRISPR/Cas bereits Weizen entwickeln, der gegen den Mehltau resistent ist, eine Pilzerkrankung, die bis zu 30 Prozent einer Ernte dezimieren kann und bislang mit Fungiziden bekämpft wird. Das 2020 in Deutschland initiierte Forschungsvorhaben PILTON will durch neue Züchtungsmethoden Weizenpflanzen mit verbesserter, multipler und dauerhafter Pilztoleranz entwickeln. Knapp 60 meist mittelständische Pflanzenzüchtungsunternehmen sind daran beteiligt. 

Mit Blick auf den Klimawandel kann das Potenzial etwa von Reis, Weizen oder Mais mit einer erhöhten Toleranz gegenüber Trockenheit oder salzigen Böden nicht hoch genug eingeschätzt werden. Unmittelbar an aktuelle Verbraucherwünsche gekoppelt sind der glutenfreie Weizen oder Blattsalat, der mehr Vitamin enthält.

… und verhinderter Held in Europa?

In der EU wird gegenwärtig diskutiert, wie genom-editierte Pflanzen gesetzlich geregelt werden sollen. In vielen Ländern gibt es bereits Regelungen, die den Nutzen des Genome Editing für eine nachhaltige Landwirtschaft in den Vordergrund stellen. Damit das Potenzial auch hierzulande ausgeschöpft werden kann, sollte sich die EU für Genome Editing und damit für eine zukunftsfähige, nachhaltige und klimaresiliente Landwirtschaft einsetzen. Eine adäquate Risikoanalyse der Produkte muss weiterhin erfolgen.

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