Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich

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1 Wilhelm Gruissem ETH Zurich Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich Treffpunkt Science City Welternährung wie werden 9 Milliarden Menschen satt? 6. Mai Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 1

2 In den nächsten 50 Jahren müssen wir mehr Nahrung produzieren als je zuvor in der Geschichte der Menschheit WACHSENDE WELTBEVÖLKERUNG (MD) ZUNEHMENDER NAHRUNGSBEDARF (MLT) Die Weltbevölkerung wird weiter wachsen Der Pro-Kopf Nahrungsverbrauch wird weiter ansteigen Konsumenten verlangen Zugang zu gesunder und bequemer Ernährung Quellen: FAO, WHO SCHWELLENLÄNDER INDUSTRIELÄNDER ENTWICKLUNGSLÄNDER 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 2

3 Die Gesellschaft im Wandel ÖL- ÖKONOMIE BIO- ÖKONOMIE Bedeutung für Landnutzung, die Umwelt, ländliche Raumentwicklung, Landwirtschaft und die Nutzung landwirtschaftlicher Rohstoffe 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 3

4 Beispielsloser Wachstumsbedarf für landwirtschaftliche Produkte 3'000 Million Metric Tons 2'500 2'000 1'500 1' % +102% +125% +40% +76% Rice Cotton Soybeans Wheat Corn Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 4

5 Weltweite Getreideproduktion steigt, doch die Verbesserung wird immer langsamer Getreide weltweit Weltweite Getreide Produktion in MT Jährliche Verbesserung 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 5

6 Die Getreideproduktion pro Kopf nimmt weltweit ab Kg Getreide pro Kopf 1965 kcal pro Tag 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 6

7 Die weltweite Getreideproduktion muss deutlich steigen Weltweite Getreide Produktion in mt Getreide weltweit Ziel 2020 (1965 kcal) Weiter wie bisher? Bis 2020 brauch wir 20% mehr mit: Weniger Wasser Weniger Dünger Weniger Chemikalien Nicht viel mehr Land Extremeren Wetterbedingungen Deshalb: Benötigen wir effiziente Züchtung, verbesserte Sorten und nachhaltige Landwirtschaft 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 7

8 Der global zunehmende Fleischverzehr erfordert die zunehmende Produktion von Futtergetreide 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 8

9 In der globalen Welt ist selbst ein hochindustrialisiertes Land wie die Schweiz nicht unabhängig von Nahrungsmittelimporten 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 9

10 Die Schweiz benutzt in Brasilien die Grösse der eigenen Landwirtschaftsfläche, um Soja für die Ernährung Schweizer Tiere zu produzieren 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 10

11 Eine AUSSERGEWÖHNLICHE Zeit gibt Anlass zu grosser Besorgnis über eine weltweit nachhaltige Landwirtschaft Globale Ernährungssicherheit Bessere Produktivität + Qualität Höhere Erträge Nachhaltige Produktion Wasserverfügbarkeit Trockenresistentente Kulturpflanzen Kulturpflanzen mit effizienteren Wasserverbrauch Krankheiten der Kulturpflanzen Verminderter Einsatz von Pestiziden Klimaveränderung Verminderter CO 2 Austoss Verbesserung der Düngermitteleffizienz Die Bio-Ökonomie muss nachhaltige Lösungen entwickeln! 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 11

12 Über 70% des weltweit verfügbaren Frischwassers verbrauchen wird für die Landwirtschaft 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 12

13 Der Wasserverbrauch in der Landwirtschaft wird auch künftig steigen Steigender Wasserverbrauch in der Nahrungsproduktion In den vergangenen 100 Jahren hat sich der weltweite Wasserverbrauch fast verzehnfacht. Damit ist der Wasserbedarf deutlich schneller gestiegen als die Bevölkerungszahl. In 31 Ländern der Erde herrscht dauernder Wassermangel. Schon im Jahr 2025 werden es rund 50 Länder mit insgesamt etwa drei Milliarden Einwohnern sein. Doch auch in Ländern, in denen statistisch genug Wasser zur Verfügung steht, haben viele Menschen keinen Zugang zu sauberem Wasser. 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 13

14 Mit zunehmenden Klimaveränderungen wird in vielen Weltregionen das Frischwasser knapp und weniger berechenbar 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 14

15 Die Chancen sind gross, das Wasser für die Landwirtschaft auch in der Schweiz knapp wird 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 15

16 Der globale Verbrauch an Düngemittel steigt unvermindert an 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 16

17 Mineralstoffe sind für das Wachstum der Pflanzen lebensnotwendig 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 17

18 Der Bedarf an Düngemittel wird vorwiegend in Asien und Südamerika wachsen Quelle: IFA 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 18

19 Der Einsatz von Düngemittel hat negative Konsequenzen für die Umwelt Düngemittel produzieren Treibhausgase (z.b. Stickoxide) und verschmutzen Gewässer Die Oberfläche eines Gewässers, das mit Algen überwachsen ist. Algenblüte als Folge von Düngemittel, die vom Mississippi (USA) in den Golf von Mexiko transportiert werden 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 19

20 Die Vorräte an bestimmten Mineralien wie Phosphat und Kali sind beschränkt hr Fernsehen Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 20

21 Die existierenden Düngemittelresourcen werden den langfristigen landwirtschaftlichen Bedarf nicht decken können 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 21

22 Der Markt für Pflanzenschutzmittel ist riesig, besonders in Europa 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 22

23 Pflanzenschutzmittel sind nicht ungefährlich, aber für die moderne landwirtschaftliche Produktion unabdingbar Einsatz von Pflanzenschutzmitteln in der Schweiz Industrieverband Agrar 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 23

24 Wissenschaftler und Züchter arbeiten an neuen Methoden und Sorten, um den Ertrag unserer Kulturpflanzen nachhaltig zu sichern 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 24

25 Was können wir von Pionierpflanzen lernen, die sich unwirtliche Lebenräume erobern? Mount St. Helens Ausbruch Fingerhut nach dem Mount St. Helens Ausbruch Huflattich Riesenschilf Meersenf Queller im Watt 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 25

26 Einige Pflanzen können auch extreme Trockenzustände überleben Die Wiederauferstehungspflanze Craterostigma plantagineum Frischer Zustand Ausgetrocknet 24 Stunden nach Bewässerung 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 26

27 Modellpflanzen sind nützlich zur Untersuchung von Merkmalen, die für die Züchtung wichtig sind Dürre Geringer Stickstoffverbrauch Kälte und Frost Hitze Schattentoleranz UV Toleranz Photosynthese Effizienz Niedriger ph und Aluminium Hoher ph Wachstumsgeschwindigkeit Blütezeit Grünverbleib und Reife Pflanzenarchitektur Fruchtbarkeit Organgrösse Statur Halmdurchmesser Ozon Hohes CO 2 Hoher Stickstoff C/N Verhältnis Samenmorphologie Resistenz Inhaltsstoffe Samenöl Sameneiweiss Lignin Serole und andere Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 27

28 In der modernen Züchtung benutzen wir Marker, die helfen neu sortierte und gemischte Gene zu verfolgen Marker machen Gene sichtbar die jeder Nachkomme geerbt hat 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 28

29 Erbgut-weite Methoden helfen Gene zu identifizieren die komplexe Merkmale steuern, z.b. Ertrag oder Wassernutzung Phänotyp Analyse Gen Entdeckung Genotyp Analyse Assoziationsanalyse 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 29

30 Die Funktionen einzelner Gene werden in Hochdurchsatzverfahren auf ihre Merkmale untersucht Energiepflanze DNA Sequenzierung Transformation in Modellpflanze Gen-Merkmal Assoziation Test in Modellpflanze Switchgrass, Miscanthus, etc. Verschiedene Pflanzen Arabidopsis Reis Hunderte von Kandidatengenen identifiziert Biomasse Pflanzenarchitektur Toleranz gegen Stress Stickstoffverwertung Krankheitsresistenz Nahrungspflanze Mais, Soja, etc. 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 30

31 Durch die mit der Klimaveränderung verbundenen Unsicherheiten ist die Züchtung von trockentoleranten Kultursorten auch für Europa von höchster Wichtigkeit 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 31

32 Ein einziges Gen aus der Modellpflanze Arabidopsis (Ackerschmalwand) kann die Dürretoleranz von Weizen erheblich erhöhen Pellegrineschi et al., Genome 2004 Dürre-toleranter Weizen (DREB1A Gen) 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 32

33 Alte Sorten enthalten häufig wertvolle Gene, die bei der Züchtung von Elitesorten mit hohem Ertrag verloren gingen oder nicht beachtet wurden 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 33

34 Gene, die Antworten auf verschiedene Stresseinflüsse steuern, sind für die moderne Züchtung ausserordentlich wertvoll Frost- und Trockenheit-toleranter Raps Source: Thomashow (2000) Science 288: Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 34

35 Ein einzelnes Gen für ein Enzym kann die Stickstoffverwertung unserer Kulturpflanzen erheblich verbessern Kontrolle Neues Merkmal: Verbesserte Stickstoffverwertung 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 35

36 Eine bessere Stickstoffverwertung wird mittlerweile in den meisten Kulturpflanzen entwickelt Arcadia Biosciences entwickelt einen Raps, welcher 50% weniger Dünger benötigt SOURCE: 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 36

37 Wir haben gentechnisch verbesserte Sorten entwickelt, die den Einsatz von Chemikalien in unserer Umwelt reduzieren 10 vom 13 Studien belegen eine Reduktion von Mykotoxin (ein Pilzgift) im Bt-Mais verglichen mit konventionellem Mais Texas AgriLife Extension Service, Texas A&M System Das U.S. Department of Agriculture bestätigt eine Verminderung von Pestizid- und Herbizideinsätzen durch Anbau von GVO Sorten Iowa State University Extension 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 37

38 Wir müssen handelsübliche Kartoffelsorten während des Wachstums bis zu 10X gegen die Kartoffelfäule spritzen, um zu ernten Resistenzen aus Wildkartoffeln schützen besser vor Kraut- und Knollenfäule und vermindern drastisch den Einsatz von Pestiziden SOURCE: Song et al., PNAS 100: ; Potatoes with improved resistance to late blight, BASF Plant Science, 5/24/06 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 38

39 Für Qualitäts- und Ertragsverbesserungen von Maniok entwickeln wir an der ETH Virus-resistente Sorten, die von Bauern bevorzugt werden Der Kampf gegen Pflanzenviren 6. Mai 2012 Tyler Hicks/The New York W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 39

40 Mais Enzyme in der Photosynthese sind effizienter als die Enzyme im Reis Photosynthese-Gene aus Mais erhöhen den Ertrag in Reis um 35% SOURCE: Ku et al., Novartis Found Symp. 236: Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 40

41 Drei wichtige Schlussfolgerunge für die globale Ernährungssicherheit Wir brauchen neue Sorten mit hohen, stabilen Erträgen und verbesserten Eigenschaften für eine nachhaltige Landwirtschaft Wir müssen die Diversität unserer Kulturpflanzen besser verstehen und nutzen Wir brauchen innovative Forschung, effiziente Züchtung und neue Technologien, eingeschlossen der Gentechnologie 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 41

42 Vielen Dank......und unterstützen Sie die Entwicklung resistenter, genügsamer und ertragreicher Nutzpflanzen... zukünftige Generationen werden dankbar sein! 6. Mai 2012 W. Gruissem / Nutzpflanzen resistent, genügsam, ertragreich/ wgruissem@ethz.ch 42