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Agrartrend

Turbo für die Evolution

05.03.2019
 

Neue Züchtungstechniken wie Genome Editing bringen die Pflanzenforschung in großen Schritten voran. Sie könnten Antworten auf die aktuellen Herausforderungen für die Agrarwirtschaft und Pflanzenzucht liefern, zu denen die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung ebenso gehört wie der Klimawandel. Doch das Urteil des Europäischen Gerichtshofes vom Juli 2018 bedeutet einen Rückschlag für die Nutzung der neuesten Forschungsergebnisse in Europa.

Zu Wintergerste hat Robert Hoffie (27) ein inniges Verhältnis. Der Doktorand am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben arbeitet seit zwei Jahren an einer Schwachstelle des Getreides, einer Anfälligkeit für das Gelbmosaikvirus. Im Herbst infizieren diese Viren auf befallenen Flächen über Bodenpilze die Wurzeln – mit der Folge, dass in der Wachstums- und Blütephase Blätter oder ganze Pflanzen absterben. Für den Landwirt kann das Ertragseinbußen von bis zu 50 Prozent bedeuten.

Robert Hoffie möchte die Gerste virusresistent machen. Mit Hilfe einer neuen Züchtungsmethode schaltet er ein Gen ab, das die Pflanze anfällig macht. Dieses Vorgehen gehört zu einer Gruppe neuer Techniken, die Genome Editing oder gezielte Mutagenese heißen. Damit, so hoffen Landwirte und Züchter, könnte es gelingen, aktuelle Herausforderungen für die Agrarwirtschaft besser zu schultern. Eine davon ist, dass immer weniger Pflanzenschutzmittel auf den Äckern zugelassen sind. Das gilt auch für die Bodenpilze, die das Virus auf die Gerste übertragen. „Resistente Sorten sind die einzige Chance“, sagt Robert Hoffie. Zwar gibt es die schon, doch einige der genetisch sehr flexiblen Viren haben diese Resistenz bereits überwunden. Es geht darum, dem Virus einen Schritt voraus zu sein.

Crispr/Cas

Diese Abkürzung steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats und beschreibt eigentlich eine Art Immunsystem von Bakterien. Daraus wurde eine spezielle Methode des Genome Editing entwickelt. Der Kern des Systems ist das Cas-Molekül, ein Protein, das als „Genschere“ agiert, indem es die DNA von Pflanzen an einem bestimmten Gen durchtrennt. Das Protein findet das gewünschte Gen nur, da es ein Abbild des DNA-Abschnitts, an dem es den Schnitt ansetzen soll, mit sich führt. Sobald es die DNA durchgeschnitten hat, repariert die Zelle diese Stelle von selbst wieder. Durch kleine Reparaturfehler verändert sich das Erbgut. Somit lassen sich an einer präzise vorhersagbaren Position im Genom Mutationen erzeugen.

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Herausforderung Erderwärmung

Auch der Klimawandel stellt neue Anforderungen an die Zucht. Nicht nur schmelzende Gletscher in Grönland oder der steigende Meeresspiegel an den Küsten der Malediven machen ihn spürbar. Er verändert auch die Regionen, in denen auf den Feldern das Brot für die Welt wächst, und ihr Reis, Raps und Mais: Europa, Nordamerika, Russland oder China. In Mittel- und Nordeuropa haben die „Heißzeit“ und Dürre 2018 vielen Menschen den Wandel vor Augen geführt. Wälder und Moore brannten, Ströme wurden zu Rinnsalen und waren nicht mehr schiffbar.
Besonders hart traf es den Agrarsektor. In Deutschland trocknete der Boden auf rund 80 Prozent der Fläche bis in die Tiefe aus. Die Folge waren gravierende Ernteausfälle, beim Getreide etwa gingen die Erträge um 18,6 Prozent im Vergleich zum Drei-Jahres-Durchschnitt zurück.

Ernährung für Milliarden

Extreme Wetterlagen könnten die globale Ernährungslage gefährden, vor allem, wenn die Weltbevölkerung bis 2050 wie prognostiziert auf 9,8 Milliarden Menschen wächst. Erschwerend kommt hinzu, dass weltweit jedes Jahr etwa 10 Millionen Hektar an Anbauflächen verloren gehen – etwa durch Erosion und Versalzung. Umso wichtiger wird es in Zukunft sein, dass Nutzpflanzen angebaut werden, die dem Klimawandel standhalten – und die noch ertragreicher sind als bisher.

Klassische Züchtung

Höhere Ernten hervorzubringen ist eines der ältesten Ziele von Landwirtschaft und Pflanzenzucht. Um 1800 erzeugten Landwirte in Deutschland pro Hektar etwa eine Tonne Weizen, heute sind es über sieben. Stetig optimierter Anbau und immer besseres Saatgut machten die Steigerung möglich. Wissenschaftlichen Schätzungen zufolge gehen etwa ein Drittel der höheren Erträge auf Erfolge in der Pflanzenzucht zurück. Jahrhundertelang setzte man dabei auf die Auslese der besten Pflanzen, aus denen neues Saatgut gewonnen und weiter vermehrt wurde.
Nach der Entdeckung der Gesetze der Vererbung durch Gregor Mendel vor rund 150 Jahren veränderte sich die Pflanzenzucht. Züchter begannen, Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften gezielt zu kreuzen und aus ihren Nachkommen jene zu selektieren und weiter zu züchten, die die angestrebte Erbgutkombination aufwiesen. Bis heute entstehen so stabile leistungsstarke Sorten, die robuster und ertragreicher sind sowie mehr gewünschte Inhaltsstoffe aufweisen. Verfeinert wurde die Kreuzungszüchtung später zur Hybridzüchtung. Zwei Inzuchtlinien, die sich stark voneinander unterscheiden, werden dabei gekreuzt. Ihre Nachkommen der ersten Generation zeichnen sich durch besonders kräftiges Wachstum aus und sind den „Eltern“ deutlich überlegen.

Molekularbiologische Techniken

Diese Züchtungstechniken lassen sich durch das, was Wissenschaftler wie Robert Hoffie in ihren Laboren tun, ergänzen. Die Grundlagen für die modernsten molekularbiologischen Methoden von heute wurden bereits in den 1930er-Jahren gelegt, als Wissenschaftler erstmals Saatgut bestrahlten, um damit dessen Erbgut zu verändern. Dabei entstanden Mutationen mit positiven Auswirkungen, die dann für die Züchtung genutzt wurden. Bis heute ist diese traditionsreiche Technik der ungerichteten Mutagenese verbreitet. Aber nicht nur UV-, Gamma- oder Röntgenstrahlung sondern auch chemische Stoffe werden seit langem eingesetzt, um positive Veränderungen im Genom von Kulturpflanzen hervorzurufen.

Weitere Meilensteine in der Züchtungsgeschichte waren die Entwicklung von Zell- und Gewebekulturen, mit denen aus Zellen vollständige Pflanzen regeneriert werden konnten. Mit der Entschlüsselung des kompletten Erbgutes der Modelpflanze Arabidopsis und von Reis im Jahr 2000 begann ein komplett neues Zeitalter der Pflanzenforschung und Züchtung. Erstmals war man in der Lage, nicht nur zu erfassen, dass das eine oder andere Merkmal ausgeprägt wird, sondern konnte auch die verantwortlichen Gene exakt lokalisieren und ihre Funktion erforschen.
Ohne diese Entwicklungen wäre die Arbeit der Forscher heute nicht möglich.

Im Labor

Bevor Hoffie mit seiner Forschungsarbeit begann, hatten seine Kollegen vom IPK Gatersleben und dem benachbarten Julius-Kühn-Institut in Quedlinburg bereits ein Gen entdeckt, das die Interaktion zwischen Gerste und Gelbmosaikvirus beeinflusst. Dieses Gen, das die Gerste anfällig für das Virus macht, ist im Erbgut der alten asiatischen Gerste durch eine spontan in der Natur entstandene Mutation „abgeschaltet“.
Genau diese Mutation löst Robert Hoffie gezielt in einer anfälligen Sorte aus, um seine Wintergerste ebenso resistent zu machen. Auch für den jungen Forscher beginnt die Arbeit am Computer: Er sucht in der Struktur des Anfälligkeits-Gens nach einer Stelle, an der er es mit molekularbiologischen Mitteln außer Funktion setzen kann. Hat er sie gefunden, baut er im Labor ein DNA-Molekül zusammen, das für ihn die Arbeit in den Gersten-Zellen übernimmt: es enthält die Information für die Bildung eines Proteins, das dazu in der Lage ist die DNA zu durchtrennen, und eines weiteren Moleküls, das dieses Protein wie ein Navigationssystem an die richtige Stelle im Erbgut lotst. Dieses Stück DNA überträgt Robert Hoffie in Bakterien, die es dann wiederum über eine Lösung in einer Petrischale in Gersten-Zellen übertragen. Dann muss er einige Zeit warten. Während aus den Gersten-Zellen mit Hilfe der Gewebekultur wieder ganze Pflanzen regeneriert werden, produzieren die Zellen mithilfe der übertragenen DNA-Information winzige molekulare Werkzeuge. Diese kann man sich als eine Art Schere mit Adressanhänger vorstellen. Diese Genschere durchtrennt in den Zellen an einer definierten Stelle die DNA des Anfälligkeits-Gens. Dann geschieht, was Robert Hoffie beabsichtigt hat: Zelleigene Mechanismen flicken den Schnitt wieder zusammen. Bei dieser Reparatur treten manchmal Fehler auf: Mutationen. Die häufigste Folge: Das so veränderte Anfälligkeits-Gen wird „abgeschaltet“.
Aus einem solchen Experiment erhält der Wissenschaftler ein gutes Dutzend Pflanzen mit diesen gewünschten Mutationen und vermehrt sie weiter. Gewächshaus-Tests mit dem Gelbmosaikvirus haben inzwischen bestätigt: Robert Hoffies veränderte Gerste ist resistent.

Züchtungsmethoden, die Zeit und Kosten sparen

Das geradezu Revolutionäre an solch neuen Verfahren liegt darin, dass Wissenschaftler erstmals präzise eine bestimmte Genveränderung herbeiführen können, die sich nicht von einer Mutation unterscheidet, wie sie im Verlauf der Evolution seit jeher hervorgebracht werden. Zudem ist die Anwendung viel kostengünstiger als die älteren Mutagenese-Techniken mit Strahlung und chemischen Mutagenen, mit denen seit Jahrzehnten gearbeitet wird. Diese lösen zufällige Mutationen aus und die Wissenschaftler müssen anschließend die DNA von Tausenden Pflanzen analysieren, um die wenigen mit nützlichen Veränderungen herauszufiltern.
Ein weiterer Vorteil von Genome Editing: Die neuen Verfahren sind schneller als alle anderen Züchtungsmethoden.
Haben die alten Verfahren also ausgedient? Keineswegs, meint Robert Hoffie: „Genome Editing-Verfahren funktionieren nur dann, wenn eine Eigenschaft auf einem einzigen oder wenigen Genen basiert. Kreuzung wird immer ein Kernbestandteil von Züchtung bleiben, zum Beispiel dann, wenn es um komplexe Eigenschaften geht, die auf viele Gene verteilt sind.“

Unsichere Zukunft

Ob es die virusresistente Gerste aufs Feld schaffen wird, ist allerdings ungewiss. Laut europäischem Gentechnikrecht sind zwar alle Pflanzen, die aus den alten, ungerichteten Mutageneseverfahren hervorgingen, von der besonderen Regulierung und Kennzeichnung für genetisch veränderte Organismen (GVO) ausgenommen. In seinem Urteil vom 25. Juli 2018 hat der Europäische Gerichtshof (EuGH) aber nun entschieden, dass Pflanzen, die mit den neuen Techniken der gezielten Mutagenese entwickelt wurden, nicht unter diese Ausnahme fallen und daher als GVO – genau wie solche mit artfremder DNA – streng reguliert werden müssen.
Wissenschaftler und Wirtschaftsvertreter kritisieren das Urteil, vor allem, weil es einen Wettbewerbsnachteil für Europa bedeute – sowohl für den Forschungsstandort als auch für die Saatgutbranche. Ein GVO-Zulassungsverfahren kann bis zu 15 Jahre dauern – und ob die Sorte am Ende zugelassen wird, ist ungewiss. In anderen Staaten wie etwa den USA oder Kanada gelten Genome Editing-Pflanzen nicht per se als gentechnisch veränderte Organismen.
Experten erwarten, dass die unterschiedlichen rechtlichen Regelungen auch den Import landwirtschaftlicher Produkte in die EU erheblich erschweren werden. Der Grund: Es gibt kein Testverfahren, das die Züchtungsmethode der Pflanzen an der EU-Grenze identifizieren könnte. Die sich heute im Umlauf befindenden transgenen GVO mit artfremder DNA sind international registriert und haben klare Unterscheidungsmerkmale gegenüber konventionellen Sorten. Ein Test kann sie daher nachweisen.
Im Gegensatz dazu sind Mutageneseverfahren nicht per se erkennbar, denn ihre Ergebnisse entsprechen Veränderungen am Genom, wie sie auch durch natürliche Mutationen, beispielsweise durch Sonnenlicht, entstehen könnten. Außerdem sind die neuen Methoden aufgrund ihrer Vergleichsweise geringen Kosten nicht nur Großkonzernen vorbehalten, sondern können von kleinen und mittelständischen Züchtern auf der ganzen Welt angewendet werden, die sich mit den Feinheiten des europäischen Rechts nicht unbedingt auskennen.
Erste Pflanzen, die mit Methoden der gezielten Mutagenese gezüchtet wurden, stehen in den USA bereits kurz vor der Marktreife. Von einer international einheitlichen Regelung ist man aber noch weit entfernt.