Pflanzenzüchtung. des Erbguts verbunden.

Transkript

1 Pflanzenzüchtung 2 Die Züchtung von Pflanzen begann bereits vor rund Jahren. Durch die Auswahl von Pflanzen mit positiven Eigenschaften und deren Vermehrung lassen sich Erträge steigern, die Qualität verbessern oder Umwelttoleranzen und -resistenzen erreichen. Viele für das Überleben der Wildpflanze nützliche Eigenschaften, wie zum Beispiel ein hoher Gehalt an Bitterstoffen, der vor Tierfraß schützt, sind dabei nach und nach verloren gegangen. Erwünschte Eigenschaften, wie zum Beispiel die Lagerfähigkeit, sind stattdessen selektiert worden. Die heutigen Nutzpflanzen, die durch Selektion entstanden sind, unterscheiden sich oft deutlich von ihrer ursprünglichen Wildform. Diese Veränderungen der Pflanzen sind mit Veränderungen des Erbguts verbunden. Beispiel Die ursprünglichen Wildformen des Getreides besitzen brüchige Ähren. Dies ist für die Verbreitung der Samen und somit für die Vermehrung der Pflanze eine wichtige Eigenschaft. Da sich Getreideähren jedoch nicht ernten lassen, wenn sie zerbrechen, selektierte der Mensch Getreide entsprechend auf Formen, bei denen dies durch natürlich auftretende Mutationen, d. h. einer Veränderung im Erbgut, nicht der Fall war. Die Züchtung einer neuen Pflanzensorte erfolgt in drei Phasen: Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 B. Heberer, Grüne Gentechnik, essentials, DOI / _2 5

2 6 2 Pflanzenzüchtung 1. Kreuzung von Pflanzen, um genetische Variation zu schaffen 2. Mehrjährige Selektion von Nachkommen mit den gewünschten Eigenschaften 3. Vermehrung und Erhaltung der neuen, selektierten Pflanzen Vermehrung bei Pflanzen Es gibt einhäusige, zweihäusige und zwittrige Pflanzen. Einhäusige Pflanzen besitzen sowohl männliche als auch weibliche Blüten auf derselben Pflanze. Bei zweihäusigen Pflanzen hat jede Pflanze entweder männliche oder weibliche Blüten. Bei Zwittern sitzen die männlichen und weiblichen Blütenorgane in einer Blüte. Pflanzen können sich ungeschlechtlich (vegetativ) oder geschlechtlich fortpflanzen. Die vegetative Vermehrung kann in vielen verschiedenen Formen ablaufen, wie der Bildung von Ausläufern oder Knollen. Hierfür findet eine Zellteilung statt, bei der alle Tochterzellen die identische Erbinformation erhalten. Für die Pflanze hat dies den Nachteil, sich nicht an veränderte Umwelteinflüsse anpassen zu können. In der Natur nutzen Pflanzen die vegetative Fortpflanzung, um sich an einem günstigen Standort anzusiedeln. Pflanzenzüchter machen sich die Fähigkeit von Pflanzen zunutze, sich aus Zellen oder Pflanzenteilen regenerieren zu können. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung kommt es zu einer Neukombination der Erbinformation. Pflanzen, die durch ihr genetisches Material am besten an ihren Standort angepasst sind, werden auf natürlichem Wege selektiert. Die geschlechtliche Fortpflanzung ermöglicht den Pflanzen außerdem, neue Standorte zu erschließen. Bei Pflanzen kann eine Selbst- oder Fremdbestäubung stattfinden. Die Selbstbestäubung ermöglicht den Pflanzen, auch in dünn besiedelten Gebieten Populationen auszubilden, jedoch wird die genetische Variabilität reduziert. Bei der Fremdbestäubung wird der Pollen der Pflanze durch Wind oder Tiere (hauptsächlich Insekten) verbreitet. Pflanzen mit kleinen, leichten Pollen nutzen meist die Windbestäubung. Der Pollen Insekten-bestäubter Pflanzen ist meist schwerer. Genetische Vielfalt ist eine Grundvoraussetzung für die züchterische Verbesserung von Pflanzen. Die Pflanzenzüchtung beschränkte sich über lange Zeit auf eine Auslese der von der Natur bereitgestellten Variationen, die zur weiteren Züchtung verwendet wurden. In der modernen Pflanzenzüchtung kommen inzwischen verschiedene Methoden zur Anwendung, um die genetische Vielfalt zu erhöhen und Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften zu selektieren. 7 7 Eine Pflanzensorte ist eine Variante einer Nutzpflanzenart, die sich durch verschiedene, charakteristische Merkmale von anderen Sorten der gleichen Art unterscheidet. Der sogenannte Sortenschutz, der auf dem Sortenschutzgesetz beruht, sichert Pflanzenzüchtern das geistige Eigentum an den von ihnen entwickelten Sorten zu. Der Sortenschutzinhaber hat dadurch das alleinige Recht zur gewerblichen Verwendung der Sorte.

3 2.1 Methoden der Pflanzenzüchtung Methoden der Pflanzenzüchtung Zu den Methoden der Pflanzenzüchtung gehören: Selektionszüchtung Hierbei handelt es sich um die älteste Form der Pflanzenzüchtung. Von gemeinsam angebauten Pflanzen, die sich auf natürliche Weise fortpflanzen, werden aus den F1-Generationen die Nachkommen mit den gewünschten Eigenschaften selektiert und erneut zusammen angebaut. Dies wird wiederholt, bis das Zuchtziel erreicht ist, d. h. die Pflanze möglichst viele der gewünschten Eigenschaften enthält. Bei einer positiven Selektion handelt es sich um eine Auswahl der Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften, bei einer negativen Selektion werden Pflanzen mit unerwünschten Eigenschaften entfernt, so dass diese Eigenschaften nicht weiter vererbt werden. Kombinationszüchtung Diese Form der Pflanzenzüchtung kommt heutzutage am häufigsten vor und ist eine Weiterführung der Selektionszüchtung. Das Erbgut von zwei jeweils reinerbigen Elterngenerationen wird gezielt neu vermischt, um gewünschte Eigenschaften bei den Nachkommen zu erhalten. Um das Zuchtziel zu erreichen, müssen die Nachkommen über mehrere Generationen selektiert werden. Bei der Selektion wird zwischen Linienzüchtung und Populationszüchtung unterschieden. Aus der Linienzüchtung gehen weitestgehend homozygote Linien hervor, wohingegen selektierte Pflanzen einer Populationszucht mehr oder weniger heterozygot sind. Klonzüchtung Einige Pflanzenarten werden nicht geschlechtlich, sondern ungeschlechtlich vermehrt. Bei dieser vegetativen Vermehrung durch Gewebekulturen, Knollen oder Stecklinge entstehen Klone, d. h. alle Nachkommen sind genetisch identisch. Bei der Klonzüchtung werden für die genetische Variation vor der vegetativen Vermehrung zunächst zwei Elternpflanzen mit gewünschten Eigenschaften geschlechtlich gekreuzt. Aus den Nachkommen werden die Pflanzen, welche die gewünschten Eigenschaften aufzeigen, vegetativ vermehrt. Hybridzüchtung Hierbei werden zwei jeweils homozygote Elterngenerationen, die sich genetisch deutlich voneinander unterscheiden, gekreuzt und der sogenannte Heterosiseffekt genutzt. Die heterozygoten Nachkommen haben in der F1-Generation die Eigenschaften der Eltern, sind jedoch im Gegensatz zu diesen hochertragreich. Der Heterosiseffekt geht mit den folgenden Generationen allerdings wieder verloren.

4 8 2 Pflanzenzüchtung Mutationszüchtung Diese Züchtungsform dient dazu, neue Genvarianten mit möglicherweise neuen, positiven Eigenschaften zu erhalten. Das Saatgut wird gezielt Röntgenstrahlung ausgesetzt, wodurch es zu Mutationen im pflanzlichen Genom kommt. Daraus entstandene Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften können anschließend entsprechend selektiert werden. Da die Veränderungen des Genoms ungezielt erfolgen und nicht abzusehen ist, ob es zu einer positiven Veränderung der Eigenschaften kommt, wenden Züchter diese Methode selten an. Trotz der Veränderung des Pflanzengenoms bei der Mutationszüchtung zählt diese nicht zur Gentechnik. Präzisionszüchtung Bei der Präzisionszucht, auch als smart breeding bezeichnet, wird das entschlüsselte Genom analysiert, um die beiden Elternpflanzen gezielt auszuwählen und so möglichst schnell das Zuchtziel zu erreichen. In das Genom der Pflanzen wird hierbei jedoch nicht eingegriffen. Zell- und Gewebekulturtechniken Verschiedene Labortechniken ermöglichen die Kultivierung von Pflanzen aus Gewebeteilen. Langwierige Züchtungen lassen sich so deutlich beschleunigen. Im Labor können so innerhalb kurzer Zeit mehrere tausend Nachkommen gezogen werden, die alle die gleichen Eigenschaften besitzen. Ein weitere Methode in der Pflanzenzüchtung stellt die Gentechnik dar (Abschn. 2.2). 2.2 Gentechnik in der Pflanzenzüchtung Biotechnologische Verfahren wie die Gentechnik verändern nicht das prinzipielle Vorgehen in der Pflanzenzüchtung, beschleunigen jedoch die Züchtung und machen diese effizienter. Die grüne Gentechnik ermöglicht einen gezielteren Eingriff in das Erbgut der Pflanzen, bei denen einzelne oder wenige Merkmale verändert werden. Zudem bietet sie die Möglichkeit, genetische Informationen aus anderen Organismen, wie Bakterien, Pilzen und Tieren, in die Pflanze einzubringen. Dies schafft neue Kombinationsmöglichkeiten und erhöht die genetische Variabilität, die am Anfang jeder Züchtung einer neuen Pflanzensorte steht. Durch das Überwinden von Art-Grenzen erreichen Forscher Zuchtziele, die mit klassischen Züchtungsmethoden nicht möglich sind. Bei der grünen Gentechnik isolieren Forscher im Labor das gewünschte Erbmaterial aus einem Organismus und bringen es in Pflanzenzellen ein. Stammen die neuen Eigenschaften aus einer anderen Art, werden die daraus entstehenden neuen

5 2.2 Gentechnik in der Pflanzenzüchtung 9 Pflanzen als transgene Pflanzen bezeichnet. Im Gegensatz hierzu wird beim Einbringen von Merkmalen aus der gleichen Art von cisgenen Pflanzen gesprochen. Cisgene Pflanzen können Züchter auch über klassische Züchtung erhalten. Hierfür müssen sie über einen langen Zeitraum, der sich über Jahrzehnte strecken kann, die Pflanzen mehrfach Kreuzen und Rückkreuzen. Die Gentechnik beschleunigt lediglich das Einfügen gewünschter Merkmale. Da die Eigenschaften cisgener Pflanzen theoretisch auch über klassische Züchtung erhalten werden können, entsprechen diese gentechnisch veränderten Pflanzen nach Meinung vieler Wissenschaftler nicht der Definition eines GVOs nach der europäischen Freisetzungsrichtlinie 2001/18/EG (siehe Einleitung). Trotzdem unterliegen Handhabung und Freisetzung cisgener Pflanzen aktuell den gleichen Sicherheitsregularien und Gesetzen wie bei transgenen Pflanzen. Ebenso wie bei der klassischen Pflanzenzüchtung kommen bei der grünen Gentechnik verschiedene Methoden zur Anwendung. Ziel ist es jeweils, DNA mit Genen für neue, gewünschte Merkmale in das Genom der Pflanze zu übertragen. Dies wird als Transformation bezeichnet. Für die Transformation kommen sogenannte Vektoren als Transportvehikel zum Einsatz. Vektoren sind meist bakteriellen oder viralen Ursprungs. Die DNA liegt in den Zellen im Zellkern vor. Pflanzenzellen besitzen zusätzlich DNA in den sogenannten Plastiden. Bei der Transformation werden neue Gene meist in die DNA des Zellkerns übertragen. Eine Transformation der DNA in die Plastiden ist jedoch ebenfalls möglich. Da die Pflanze die Plastiden-DNA meist nicht über die Pollen weitergibt, lässt sich die unkontrollierte Ausbreitung des Transgens so weitestgehend vermeiden (siehe Kap. 4). Es kann jedoch in einzelnen Fällen zu einer Übertragung der Plastiden-DNA in das Genom des Zellkerns kommen, wodurch sich das Transgen wieder mit dem Pollen verbreiten kann. Zu den Methoden der grünen Gentechnik zählen: Transformation durch Agrobacterium tumefaciens Dieses Verfahren nutzt bestimmte Bakterien, die in der Natur in der Lage sind, Pflanzenzellen zu infizieren und einen Teil ihrer DNA in das pflanzliche Genom einzubauen. Agrobacterium tumefaciens induziert Wucherungen im Wurzelbereich der befallenen Pflanzen, die ihm als Lebensraum dienen. Außerdem löst es die Produktion bestimmter Nährstoffe durch die Pflanze aus, die den Bakterien als Nahrung dienen. In der Gentechnik nutzen Forscher das Bakterium, um die gewünschten Fremdgene in das pflanzliche Genom einzuschleusen. Der Gentransfer durch die Agrobakterien funktioniert zuverlässig, jedoch nur bei bestimmten Pflanzen. Hierzu zählen vor allem zweikeimblättrige Pflanzen wie Kartoffeln, Tomaten oder Tabak.

6 10 2 Pflanzenzüchtung Biolistische Transformation Bei der biolistischen Transformation wird DNA an Gold- oder Wolframpartikel gebunden und mit hohem Druck auf Pflanzenzellen geschossen. In der Zelle löst sich die DNA ab und kann sich mit dem in der Zelle vorhandenen Erbmaterial verbinden. Die Methode findet hauptsächlich Anwendung bei Pflanzen, bei denen die Transformation durch Agrobacterium tumefaciens nicht funktioniert, wie den einkeimblättrigen Getreiden. Der Nachteil der Methode liegt in der geringen Effizienz. Meist baut nur eine kleine Anzahl an beschossenen Pflanzenzellen die neue DNA dauerhaft in ihr Erbmaterial ein. Protoplastentransformation Protoplasten sind zellwandlose Zellen. Für die Protoplastentransformation werden die Zellwände der Pflanzenzellen mit spezifischen Enzymen abgebaut. In diese zellwandlosen Protoplasten kann mit zwei verschiedenen Methoden DNA eingebracht werden. Polyethylenglykol macht die Zellmembran der Protoplasten durchlässig. Hierdurch dringen entweder DNA-Partikel ein oder verschiedene Protoplasten verschmelzen miteinander und nehmen so neue DNA auf. Alternativ können kurze Stromstöße die Zellmembran für DNA durchlässig machen. Die Hauptschwierigkeit der Protoplastentransformation liegt in der Regeneration der Zellen zur intakten Pflanze. Bei diesen gentechnischen Methoden wird die fremde DNA an nicht vorhersagbarer Stelle in das Genom der Pflanze eingebaut. Dies kann zu unerwünschten Nebeneffekten führen. Die Stelle, an der das Gen eingefügt wird, beeinflusst Stärke und Dauer der Ausprägung des Merkmals. Außerdem kann das neu eingefügte Gen Einfluss auf andere Gene haben, und diese unter Umständen in ihrer Funktion beeinträchtigen. Zur Überprüfung, ob die Transformation erfolgreich war, verwenden Forscher sogenannte Markergene. Die Markergene gelangen zusätzlich zu den Genen mit den gewünschten Eigenschaften als Bestandteile der neuen DNA in die Pflanze. Markergene können eine Resistenz gegen bestimmte Antibiotika besitzen, die für Pflanzen ansonsten giftig sind, oder für eine Herbizidresistenz bei den Pflanzenzellen sorgen. Kommen die gentechnisch veränderten Zellen mit den entsprechenden Antibiotika oder Herbiziden über das Nährmedium in Kontakt, überleben nur diejenigen, bei denen die Pflanze die neuen Gene erfolgreich abliest. So lassen sich die Zellen mit den gewünschten Eigenschaften selektieren und nur diese transgenen Pflanzen heranziehen. Eine Alternative zu Antibiotika- oder Herbzidresistenzen sind Stoffwechselmarker, die die Pflanze befähigen, bestimmte Stoffwechselprozesse durchzuführen, zu denen sie sonst nicht in der Lage wären. So können die meisten Pflanzen

7 2.2 Gentechnik in der Pflanzenzüchtung 11 den Zucker Mannose nicht verwerten. Wird als Markergen ein Gen für das Enzym Phosphomannose-Isomerase verwendet, können die entsprechenden Pflanzen Mannose umwandeln und als Kohlenstoffquelle nutzen. Die transformierten Zellen werden über ein Medium selektiert, dass Mannose als ausschließliche Kohlenstoffquelle enthält. Hierin wachsen nur Zellen mit dem neu eingebauten Gen. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Markergenen, deren Produkte sich durch biochemische, histochemische, mikroskopische oder photometrische Methoden nachweisen lassen. Hierfür wird zum Beispiel das Gen für das sogenannte Green fluorescent protein (GFP) verwendet. Nach Anregung mit Licht geeigneter Wellenlänge fluoresziert dieses Protein, was mikroskopisch sichtbar ist. Eine verhältnismäßig neue gentechnische Methode bietet gegenüber den oben genannten Methoden zwei entscheidende Vorteile: Neue Eigenschaften lassen sich spezifisch an bestimmten Stellen in die DNA einbauen oder vorhandene Eigenschaften entfernen. Außerdem entfällt die Notwendigkeit für Markergene. Diese Methode nutzt ein Werkzeug bakteriellen Ursprungs, das sogenannte CRISPR- Cas-System, das Bakterien zur Abwehr fremder Organismen verwenden. CRISPR-Cas-System CRISPR-Cas besteht aus einem an die DNA bindenden Molekül sowie einer sogenannten Endonuklease, welche die DNA auftrennt. Die Stelle, an der CRIS- PR-Cas an die DNA bindet, lässt sich punktgenau bestimmen. So lassen sich Gene mit unerwünschten Merkmalen entfernen oder Gene mit neuen Merkmalen einfügen. Außerdem lassen sich vorhandene Gene durch Mutationen verändern. Diese gezielten Eingriffe ermöglichen es, mit Genen der gleichen Art gewünschte Eigenschaften zu erhalten anstatt Gene anderer Arten in die Nutzpflanzen zu integrieren. Diese Methode ist nicht nur schneller und genauer als die bisher verwendeten Methoden, sondern auch kostengünstiger. Beim Einbau, Verändern oder Entfernen neuer Gene in das pflanzliche Genom kann es zu unvorhergesehenen Effekten kommen. Nicht nur das Gen selbst bestimmt die Ausprägung spezifischer Merkmale, sondern auch seine unmittelbare Umgebung im Genom. Dieser sogenannte Positionseffekt kann beim Einbringen eines Transgens in das pflanzliche Genom zu einer Funktionsänderung oder einem Funktionsverlust führen. So können beispielsweise verschiedene Pflanzenlinien mit dem gleichen Transgen Unterschiede in der Höhe der Ausprägung des gewünschten Merkmals zeigen. Einen weiteren Einfluss kann die sogenannte Pleiotropie haben: Ein Gen für ein spezifisches Merkmal beeinflusst häufig weitere, voneinander unabhängige Merkmale. So kann es durch Pleiotropieeffekte nicht nur zur Ausprägung des gewünschten Merkmals kommen, sondern die Pflanze kann weitere unvorhergesehene oder unerwünschte Merkmalsveränderungen zeigen.

8 12 2 Pflanzenzüchtung 2.3 Anwendungsbereiche der grünen Gentechnik Die Ziele der klassischen Pflanzenzüchtung sowie der grünen Gentechnik sind weitgehend identisch. Ein höherer Ertrag, bessere Qualität, Resistenzen gegen Schädlinge und Krankheiten sowie die Widerstandsfähigkeit gegen extreme Klimabedingungen wie Hitze, Trockenheit oder Kälte möchten Pflanzenzüchter bei neuen Sorten erreichen. Weitere Ziele sind Veränderungen der Inhaltsstoffe von Nahrungspflanzen wie Vitamingehalt und Fettsäurezusammensetzung und industrielle Stoffproduktion wie die Herstellung industrieller Enzyme oder die Reduzierung des Ligninanteils in Holz für die Papierproduktion. Forscher arbeiten außerdem daran, pharmazeutische Substanzen wie Antikörper und Impfstoffe durch gentechnisch veränderte Pflanzen herstellen zu können und Pflanzen als nachwachsende Rohstoffe einzusetzen. Beispiel Konventionelle Kartoffelsorten enthalten die Stärketypen Amylopektin und Amylose. Gentechnisch veränderte Kartoffelpflanzen wie Amflora produzieren eine optimierte Stärkezusammensetzung und enthalten fast ausschließlich Amylopektin. Reines Amylopektin kann als nachwachsender Rohstoff in der Papierproduktion, in der Herstellung von Klebstoffen, textilen Geweben und Baumaterialien genutzt werden. Bisher am häufigsten finden sich in gentechnisch veränderten Pflanzen Herbizidund Insektenresistenzen. Bereits seit Mitte der 1990er Jahre nutzen Landwirte transgene Pflanzen weltweit. Besonders häufig finden sich transgene Sojabohnen-, Mais-, Baumwolle-, Zuckerrüben- und Rapssorten. In den USA und Kanada sowie in den Entwicklungs- und Schwellenländern Brasilien, Argentinien, Indien und China liegen die größten Flächen angebauter transgener Pflanzen. Europa liegt flächenmäßig weit dahinter, hier kommt es hauptsächlich in Spanien zum Anbau von gentechnisch verändertem Mais (Bt-Mais MON810). Bt-Mais MON810 ist die einzige in Europa zugelassene und angebaute transgene Pflanze. In Deutschland und einigen weiteren europäischen Ländern gilt jedoch auch hierfür ein Anbauverbot aufgrund von Sicherheitsbedenken. Im Jahr 2013 lag die weltweite Anbaufläche von transgenen Pflanzen bei 175 Mio. ha in insgesamt 27 Ländern. Auf die europäischen Länder fielen hiervon weniger als ha. Im Jahr 2014 kam es zu einer weiteren Zunahme der Anbauflächen auf 181 Mio. ha in 28 Ländern, wobei die größten Zuwächse in den USA und Brasilien stattfanden (Tab. 2.1). Im Vergleich dazu lag im Jahr 1996, als die ersten gentechnisch veränderten Pflanzen angebaut wurden, die weltweite Anbaufläche bei 1,7 Mio. ha in sechs Ländern (Quelle: ISAAA).

9 2.3 Anwendungsbereiche der grünen Gentechnik 13 Durch das in Deutschland geltende Anbauverbot für den Bt-Mais MON810 gibt es hier derzeit keinen Anbau gentechnisch veränderter Pflanzen. Freilandversuche fanden bis ins Jahr 2013 statt. Ab dem Jahr 2014 erfolgten in Deutschland laut dem Standortregister des Bundesamtes für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL, siehe Kap. 3) auch keine Freilandversuche mehr in Deutschland. 77 Die Bezeichnung Bt-Mais MON810 setzt sich aus Bt für das Bakterium Bacillus thuringiensis (siehe Kap. 4), MON für die Firma Monsanto, die Entwickler des transgenen Mais sowie der Patentinhaber ist, und 810 für eine firmeninterne Produktbezeichnung zusammen. Tab. 2.1 Die zehn Ländern mit den größten Anbauflächen gentechnisch veränderter Pflanzen im Jahr (Quelle: ISAAA) Land Fläche GVO (Millionen Hektar) USA 73,1 Mais, Sojabohnen, Baumwolle, Raps, Zuckerrübe, Alfalfa, Papaya, Kürbis Brasilien 42,2 Sojabohne, Mais, Baumwolle Argentinien 24,3 Sojabohne, Mais, Baumwolle Indien 11,6 Baumwolle Kanada 11,6 Raps, Mais, Sojabohne, Zuckerrübe China 3,9 Baumwolle, Papaya, Pappeln, Tomaten, Paprika Paraguay 3,9 Sojabohne, Mais, Baumwolle Pakistan 2,9 Baumwolle Südafrika 2,7 Mais, Sojabohne, Baumwolle Uruguay 1,6 Sojabohne, Mais

10