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.
© Janie Airey
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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. Auch 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 heute, Pflanzen unter anderem mit Resistenzen gegen Krankheiten oder Anpassung an den Klimawandel besser und schneller zu züchten.
Zu den Chancen und Risiken dieser neuen Technologien lesen Sie auch unser Interview mit Dr. Matthias Braun, dem Vorsitzenden der Deutschen Industrievereinigung Biotechnologie (DIB).
Praktisch alle Produkte im Lebensmittelhandel sind das Ergebnis von Züchtung und kontinuierlicher Verbesserung durch den Menschen.
Alte Bekannte aus dem Supermarkt
Dieser exemplarische Stammbaum populärer Zitrusfrüchte zeigt: Die Ergebnisse von Pflanzenzucht sind längst Teil unseres Alltags.
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.
- Gesündere Pflanzen und bessere Toleranz von Schädlingen zur Reduktion des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln
- Anpassung an den Klimawandel, unter anderem durch erhöhte Trockenheits- oder Hitzetoleranzen und an neue Schaderreger.
- Optimierung des Nähstoffgehaltes und der Inhaltsstoffe 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.
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
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.
Mutagenese: Hitze, Kälte, radioaktive Bestrahlung oder chemische Substanzen triggern zahlreiche Mutationen und verändern die Eigenschaften von Kulturpflanzen.
Pflanzenbiotechnologie: Mit biotechnologischen Verfahren wird das Erbgut einer Pflanze gezielt verändert und somit auch ihre Eigenschaften.
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Auslese und Kombination als klassische Züchtungsmethoden
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.
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Mit Mutagenese Mutationen bewusst herbeiführen
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
© hsyncoban
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 (Transgenese). 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. 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:
- Modifikationen können gezielt vorgenommen werden und sind keine Zufallsprodukte mehr.
- Unerwünschte Eigenschaften, die aufwendig zurückgezüchtet werden müssen, 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 kostengünstig und unter anderem 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.
© PeopleImages
Was bedeutet „CRIPSR/Cas“?
Die Abkürzung CRISPR steht für „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats". Das CRISPR-System erkennt das jeweilige Ziel, eine bestimmte DNA-Sequenz, die modifiziert werden soll. Den eigentlichen Schnitt beim Genomeditieren erledigt Cas, ein mit CRISPR assoziiertes Protein.
Hat 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 Organismen.
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: Beispielsweise durch das Austauschen oder Entfernen einzelner DNA-Bausteine oder durch das Einfügen einer neuen DNA-Sequenz. Das Zusammenfügen des veränderten DNA-Abschnitts erledigen im Anschluss die zelleigenen Reparatursysteme. Diese Reparaturvorgänge entsprechen natürlichen Vorgängen wie sie in der Natur ebenfalls stattfinden.
© Sanofi-Aventis Deutschland GmbH
3 Fragen an: Dr. Matthias Braun, Vorsitzender der Deutschen Industrievereinigung Biotechnologie (DIB)
CRISPR/Cas: Was kann die Technologie – und was bringt sie?
1. Ist die allseits gefeierte „Genschere“ CRISPR/Cas nicht bloß alter Wein in neuen Schläuchen? Eine Mehrheit der Bevölkerung lehnt Gentechnik in der Landwirtschaft weiterhin ab.
Die noch recht junge CRISPR/Cas-Technologie und die konventionelle Gentechnik, die seit den 1980er-Jahren in der Pflanzenzucht angewandt wird, können nicht in einen Topf geworfen werden. Denn die Unterschiede sind durchaus groß.
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Während es bei der klassischen Gentechnik eher ein Glücksspiel ist, an welcher Stelle das gewünschte Gen in das Erbgut eingefügt wird, lässt sich mit CRISPR/Cas präzise festlegen, wo die Änderung stattfinden soll. Wir machen den Zufall planbar, indem die von uns gewünschten Eigenschaften zielgerichtet gezüchtet werden.
Da primär die eigenen Gene einer Pflanze bearbeitet werden, kommt es zu Veränderungen, wie sie auch durch konventionelle Züchtung oder natürliche Mutationen auf den Feldern passieren. Die Ergebnisse gehen nicht über die Natur und über das, was durch die herkömmliche Züchtung möglich ist, hinaus.
2. Das klingt sehr technisch und nach Labor. Mal konkret: Welchen Nutzen hat CRISPR/Cas? Vor allem für mich als VerbraucherIn und für die Natur?
Hier hilft es, wenn wir langfristig denken. Diese Technologie ist kein Zaubermittel, aber sie birgt enorme Chancen für uns alle. So hat sie hat das Potenzial, Antworten auf die Ernährungsfragen der Zukunft zu geben. Indem sie etwa widerstandfähigere Nutzpflanzen hervorbringt, die besser mit dem Klimawandel zurechtkommen und die die Landwirtschaft nachhaltiger machen.
Konkrete Beispiele hierfür sind bakterienresistenter Reis und pilzresistente Wein- und Weizensorten sowie trockentolerantere Sorten von Mais, Weizen und Sojabohnen. Diese Pflanzen sind nachhaltiger, weil sie mit weniger Pflanzenschutzmitteln und Wasser auskommen. Zukünftige Züchtungen können dem Klimawandel besser trotzen, weil sie beispielsweise mit Trockenheit, Hitze oder salzigen Böden besser zurechtkommen.
Die Robustheit dieser neuen Pflanzensorten kann helfen, sichere Ernten einzufahren. So wird die Gefahr gesenkt, dass wichtige Naturräume in Agrarflächen umgewandelt werden müssen. Auf lange Sicht kommt dieses Verfahren also der Natur und uns als VerbraucherInnen zugute.
3. Aber wie sicher ist das? Der Gedanke an CRISPR/Cas-erzeugte Lebensmittel hinterlässt ein mulmiges Gefühl.
Neue Produkte müssen zuerst beweisen, dass sie sicher sind. So haben in den letzten 25 Jahren über 130 internationale Forschungsprojekte von mehr als 500 unabhängigen Forschergruppen belegt, dass gentechnisch veränderte Lebensmittel, die mit den alten Verfahren verändert wurden, nicht riskanter für die Gesundheit sind als konventionell gezüchtete Pflanzen, die wir in jedem Supermarkt oder auf dem Wochenmarkt finden.
Die neuen Verfahren wie CRISPR/Cas, um deren Regulierung es jetzt auf europäischer Ebene geht, sind hoch präzise. Das hat auch die EU-Kommission in ihrer Studie vom April 2021 festgestellt: Die Produkte aus den neuen Verfahren weisen grundsätzlich kein höheres Risiko für Mensch, Tier und Umwelt auf als solche aus herkömmlicher Züchtung.
Nicht zuletzt ist jede neue Pflanzensorte – egal mit welcher Methode sie gezüchtet wurde – eine Erweiterung der biologischen Vielfalt und leistet so einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft.
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.
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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, ob genomeditierte Pflanzen weiterhin wie gentechnisch veränderte Organismen (GVO) reguliert werden sollen. Insbesondere weil zwischen einer Änderung durch Gene-Editing, Kreuzungszüchtung und natürlicher Mutation, sofern keine Fremd-DNA eingefügt wurde, im Produkt nicht unterschieden werden kann. Die Unklarheiten in der EU verhindern, dass aktuell das Potenzial dieser Methode in der medizinischen und industriellen Biotechnologie nicht ausgeschöpft werden kann und in der Pflanzenzüchtung nicht genutzt werden kann. Das verhindert wichtigen Fortschritt.
In vielen Ländern gibt es bereits Regelungen, die den Nutzen des Genome Editing für eine nachhaltige Landwirtschaft in den Vordergrund stellen. Dort unterliegen genomeditierte Pflanzen nicht den Regulierungen für gentechnisch veränderte Organismen.
© EU-SAGE, Stand 2020
Damit das Potenzial der modernen Pflanzenzucht auch hierzulande genutzt 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.
