Vom Klostergarten ins Labor

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1 DOI: / biuz PFLANZENZÜCHTUNG Für eine ideologiefreie Pflanzenforschung: Vom Klostergarten ins Labor HANS-JÖRG JACOBSEN Vor etwas mehr als 100 Jahren begann mit der Wiederentdeckung der Arbeiten Mendels die zielgerichtete Pflanzenforschung: Objektivierbare Züchtungsmethoden wurden entwickelt, welche die Entwicklung neuer Sorten enorm beschleunigten. Pflanzenzüchtung bedeutete dabei stets, Pflanzen an die Bedürfnisse von Mensch und Tier sowie an die jeweilige Umwelt anzupassen. Wildmerkmale wurden systematisch durch eine entsprechende Zuchtwahl und Selektion entfernt, gewünschte Eigenschaften vermehrt und stabilisiert. So sind fast alle heutigen Kulturpflanzen man made crops, die sich in der Natur kaum halten könnten. Dies gilt vor allem, wenn man die Verunkrautung nicht kontrolliert (Abbildung 1). ABB. 1 Maisfeld, links ohne Unkrautbehandlung, rechts mit. Bild: Jacobsen. Die Geschichte der Menschheit ist geprägt von Hungersnöten. Diese hatten verschiedene Ursachen wie widrige Klimabedingungen, etwa die kleinen Zwischeneiszeiten, ein Ausbleiben des Monsuns, El Niños, Vulkanausbrüche, aber auch bald Kriege, Ideologien wie Lyssenkoismus, Planwirtschaften, Spekulation etc.. Eine wesentliche Rolle spielt aber auch die enorme Vielfalt der Schaderreger. Die Menschheit muss seit Urzeiten aktiv Pflanzenforschung betrieben haben, um herauszufinden, was essbar ist und was nicht (mit den entsprechenden Kollateralschäden) und wie man Pflanzen verbessern kann. Auf der Internetseite der Tropenwaldstiftung Oroverde kann man erfahren, dass nur ein äußerst geringer Teil aller auf der Erde vorkommenden Pflanzenarten jemals in größerem Maßstab als Nahrungsquelle für den Menschen gedient hat. Etwa 7000 verschiedene Pflanzenarten sind erwiesenermaßen essbar, aber nur etwa 150 davon haben eine so große Bedeutung erlangt, dass sie Eingang in den Welthandel gefunden haben. Wahrscheinlich besitzen rund Pflanzenarten essbare Teile: Wurzelknollen, Blüten, Knospen, Früchte, Blätter, Säfte. Dagegen stützt sich die heutige konventionelle, in vielen Ländern weitgehend industrialisierte Landwirtschaft gerade einmal auf 20 verschiedene Pflanzenarten, mit denen sie 90% der Welternährung sicherstellt ein winziger Bruchteil des reichen Angebots von Pflanzenarten, die genutzt werden könnten. Alleine die vier wichtigsten Kohlenhydratlieferanten Weizen, Reis, Mais und Kartoffel ernähren mehr Menschen als die nächsten 26 Pflanzenarten auf der Häufigkeitsliste zusammengenommen [8]. Die Weiterführung dieses Gedankens ist reizvoll, doch dies löst aber nicht das grundsätzliche Problem, das nicht in der Anzahl der genutzten Arten liegt, sondern in der Menge des verfügbaren Ackerlands, denn auch die wenig genutzten Arten brauchen Fläche und ihre in aller Regel niedrige Produktivität konkurriert Biol. Unserer Zeit 107

2 Mehr dazu lesen Sie in dem folgenden Artikel von Uwe Sonnewald, der auf S. 112 beginnt. mit den weit entwickelten Hochertragssorten, mit deren Entwicklung die Menschheit in der Ära der naiven Pflanzenzüchtung vor etwa Jahren begann. In den verschiedenen Weltregionen erkannten Menschen, dass die Sesshaft-Werdung mit Ackerbau und Viehzucht für die Sippe größere Überlebenschancen bot, als das Umherstreifen in den Savannen oder Wäldern [5]. Konsequent wurden Pflanzen und Tiere an die Bedürfnisse des Menschen angepasst: Wildtiere wurden zu Nutztieren gezähmt und Pflanzen verloren ihre Wildmerkmale wie asynchrone Blüte, Samenreifung und Samenfall. Gleichzeitig erfolgte eine Selektion auf Pflanzen, die schwerere oder mehr Samen produzierten, ebenso wurden durch Wegzüchtung unbekömmlicher Inhaltsstoffe die Essbarkeit und die Verdaulichkeit der Pflanzen verbessert. Zu den Wildmerkmalen, die züchterisch entfernt wurden, gehören aber auch die Resistenzen gegen Schaderreger. Der Grund: Diese Resistenzen sind in aller Regel gekoppelt mit den unbekömmlichen, antinutritiven Inhaltsstoffen wie Alkaloiden, Lektinen, Glucosinolaten, Tanninen sowie Inhibitoren jedweder Art. Man kann das an zahlreichen Beispielen deutlich machen: Mit der Entwicklung der tanninfreien Ackerbohnen stieg deren Anfälligkeit für Pilzkrankheiten an. Das Gleiche passierte bei den 00-Rapssorten, die Anfang der 1980er Jahre entwickelt worden waren. Hier führte der Qualitätssprung durch die züchterische Entfernung der schädlichen Senfölglycoside und der Erucasäure in ungünstigen Jahren ebenfalls zu einem Anstieg der Pilzkrankheiten [9]. Daraus folgt im Umkehrschluss, dass in vielen Fällen eine verbesserte Resistenz mit dem Einkreuzen unerwünschter Inhaltsstoffe verbunden wäre. Welche Methoden nutzt(e) die Pflanzenzüchtung? Die klassischen Methoden der Züchtung sind Kreuzung und Selektion, wobei die Selektionsverfahren heute durch Anwendung molekularbiologischer Techniken schneller und weniger aufwändig erfolgen können. Die Mutationszüchtung, die zwischen Mitte der 1950er Jahre bis in die 1980er Jahre betrieben wurde, hat sich eher als ein teurer Irrweg erwiesen, ebenso wie der Lyssenkoismus oder manche esoterischen Auswüchse, die heute teilweise wieder propagiert werden. Allerdings ist die klassische Züchtung darauf beschränkt, innerhalb eines definierten Genpools zu arbeiten, d. h. Kreuzungen sind nur zwischen verwandten Arten möglich (also etwa Weizen und Roggen). Daraus folgt, dass Merkmale, die nur außerhalb eines Genpools kreuzbarer Arten vorhanden sind, in der klassischen Züchtung nicht genutzt werden können. Auch moderne Selektionsverfahren wie etwa das TILLING (Abkürzung für den englischen Begriff Targeting Induced Local Lesions in Genomes), bei dem nach chemischer Mutagenese nach neuen Allelen für bestimmte Gene gesucht wird, bringen nur wenig Abhilfe: Bei chemischer Mutagenese erfolgen in der Regel Mutationen, die einen Verlust von bestimmten Funktionen mit sich bringen (s.a. [10]). Als Alternative bietet sich seit 1984 das Anzapfen fremder Genpools durch den gezielten Gentransfer zur Erzeugung von gentechnisch veränderten Pflanzen (genetically modified plants, GMP) an. Der Durchbruch der modernen Züchtung: die Grüne Revolution In der Mitte des vergangenen Jahrhunderts beschleunigte sich die Zunahme der Weltbevölkerung und es kam vermehrt zu Hungerkatastrophen, vor allem in Asien und Afrika. Es wurde die Notwendigkeit erkannt, die Pflanzenproduktion zu steigern, hier spielten sowohl Züchtung als auch ein verbesserter Zugang zu Dünger und Pflanzenschutz eine wesentliche Rolle. In der Züchtung wurden vor allem Getreide massiv genetisch umgebaut: So war es eine der Ideen von Norman Borlaug, durch eine Reduzierung der Halmlänge die assimilierte Energie in mehr und schwerere Körner zu lenken. Daraus entstanden die modernen Kurzstrohsorten, die standfester sind und % höhere, stabile Erträge erzielen. Norman Borlaug erhielt 1970 den Friedens-Nobelpreis für seine Beiträge zur Grünen Revolution, durch die Millionen Menschen vom Hungertod bewahrt wurden [3]. Auch wenn gelegentlich die Grüne Revolution kritisch betrachtet wird (vor allem der damit verbundene erhöhte Einsatz von Pflanzenschutzmitteln), sollte dieser humanitäre Aspekt in einer sachlichen Abwägung nicht unterschlagen werden. Gleiches gilt im Übrigen für die Erkenntnisse, die Justus v. Liebig bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts zur Pflanzenernährung hatte und die zur Einführung mineralischer Dünger in die Landwirtschaft und damit zu erheblichen Ertragssteigerungen führten [4]. Alternativen zu den konventionellen Methoden Seit einigen Jahren beobachtet man, dass sich der Züchtungsfortschritt bei etlichen unserer Kulturpflanzen verlangsamt. Daraus muss man schließen, dass konventionelle Techniken der Pflanzenzüchtung biologisch gesetzte Grenzen erreichen. Dies gilt sowohl für die erzielbaren Erträge, als auch für die Widerstandsfähigkeit gegenüber biotischen und abiotischen Stressoren. So sind etwa Resistenzen gegenüber Schadinsekten entweder nicht vorhanden oder mit toxischen Inhaltsstoffen gekoppelt. Es gibt es Wildkartoffelarten, die gegen den Kartoffelkäfer resistent, aber auf Grund extrem hoher Gehalte an Glycoalkaloiden auch für Mensch und Tier ungenießbar sind [7]. Gerade in Bezug auf die Resistenz gegen Insekten liegt es nahe, nach sicheren Alternativen Ausschau zu halten, um die Genpools unserer Kulturpflanzen mittels Gentransfer zu erweitern. Eine solche Alternative 108 Biol. Unserer Zeit 2/2012 (42) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

3 PFLANZENZÜCHTUNG ist die Verwendung des im ökologischen Landbau eingesetzten B.t.-Toxins. Dieses Toxin (ein Protein) wird in den Endosporen des Bakteriums Bacillus thuringiensis gebildet. Es bewirkt bei Aufnahme in den Insektendarm den Zusammenbruch des Darmepithels und ermöglicht so den im Nahrungsbrei enthaltenen Mikroorganismen, den Körper des Insekts (in der Regel ein Larvenstadium) als Substrat zu nutzen und zu töten [11]. Im ökologischen Landbau werden Suspensionen aus bakteriellen Sporen gespritzt. In einer kürzlich bei uns angefertigten Bachelorarbeit konnten wir daher von der Oberfläche von Bio-Gemüse aktive Bacillus thuringiensis-bakterien re-isolieren [1]. Es gibt zahlreiche Stämme von B. thuringiensis, die sich vor allem in der Spezifität der von ihnen produzierten Toxine unterscheiden. Es existieren Stämme, deren Toxin vornehmlich gegen Lepidopteren wirkt, andere Toxine wirken gegen Coleopteren oder Dipteren. So werden in jedem Jahr tonnenweise Sporen von B. thuringiensis in den Rheinauen in Baden-Württemberg zur Schnakenbekämpfung eingesetzt [12]. Da es sich bei dem Toxin um ein Protein handelt, konnte man das Gen aus den Bakterien isolieren und es leicht modifiziert mittels Gentransfer in verschiedene Kulturpflanzen übertragen. Die Pflanze produziert nun dieses Bio-Insektizid selbst, es muss nicht mehr gespritzt werden. Neue biotische und abiotische Stressoren Denkt man an den Klimawandel, so fallen einem zunächst ansteigende Temperaturen ein, verbunden mit Dürren und vermehrten extremen Wettersituationen. Klimawandel bedeutet aber auch, dass sich neue Tierund Pflanzenarten einfinden, so dass sich die Ökosysteme generell verändern. Dies gilt auch für die Agrar- Ökosysteme. Neben den zu erwartenden abiotischen Stressoren werden sich neue biotische gesellen, neue Schaderreger, die wir bislang nur aus tropischen oder subtropischen Regionen kannten, werden heimisch und bedrohen unsere Ernten. Ein Beispiel ist der Maiswurzelbohrer Diabrotica virgifera virgifera, der aus den USA eingeschleppt wurde. Starke Befallsgebiete sind Bayern und Baden-Württemberg (Abbildung 2), Funde sind aber bis hin zum Niederrhein und das Münsterland berichtet worden. Der Maiswurzelbohrer ist in der EU als ein Quarantäneschädling eingestuft: Jeder gefundene Käfer muss gemeldet werden und es gibt strenge Richtlinien, was Grün: Maiswurzelbohrer Funde 2007 Gelb: Maiswurzelbohrer Funde 2008 Pink: Maiswurzelbohrer Funde 2009 Rot: Maiswurzelbohrer Funde 2010 Orange: Maiswurzelbohrer Funde 2011 Ortsmarken erstellt durch Deutsches Maiskomitee e.v. (DMK), ohne Gewähr Daten: örtlicher amtlicher Pflanzenschutzdienst ABB.2 Funde des Maiswurzelbohrers (Diabrotica virgifera virgifera) am Oberrhein Die von den Schädlingen befallene Fläche hat sich im Jahr 2011 stark ausgeweitet. Trotz aller konventionellen Gegenmaßnahmen findet der Schädling offenbar gute Lebensbedingungen. Bild: Biol. Unserer Zeit 109

4 ABB. 3 Ackerbohnen nach drei Wochen Trockenstress; links: Kontrolle, rechts: transgene Pflanzen, die das PR10a-Gen aus der Kartoffel exprimieren. den Maisanbau in einer solchen Region angeht. Da der Käfer flugfähig und für seine Vermehrung auf den Mais angewiesen ist, kann davon ausgegangen werden, dass er sich ohne massive Bekämpfung schnell ausbreitet. Da im Mais keine Resistenzen gegen diesen Käfer bekannt sind, bleibt als Alternative der Einsatz von Insektiziden (etwa durch Beizung des Saatguts) oder die Gentechnik, in diesem Fall der Einbau eines gegen Käfer gerichteten B.t.-Toxins. Alternativ wäre natürlich auch an den Verzicht auf den Maisanbau zu denken, was allerdings die Versorgung der zahlreichen Biogas-Anlagen mit Biomasse und damit die politisch gewollte Energiewende gefährden würde. Auch mit einer Zunahme von Dürreperioden ist zu rechnen: Die gegenwärtigen Prognosen gehen von längeren Trockenperioden auch in Nord- und Mitteleuropa aus ( mediterranes Klima ). Unsere Landwirtschaft wird Pflanzen benötigen, die Dürreperioden überstehen und die mehr Erntegut/Biomasse mit weniger Wasser erbringen. Hier gibt es erste interessante Ansätze, so wurden Gene im Reis entdeckt, die auch in anderen Pflanzenarten zu einer besseren Trockentoleranz führten. In unserer Arbeitsgruppe haben wir zusammen mit Kollegen aus der DSMZ in Braunschweig Arbeiten zu einem Gen der Kartoffel durchgeführt [2], welches auch bei Ackerbohnen zu einer verbesserten Trockentoleranz führte (Abbildung 3). Fazit Es führt kein Weg daran vorbei, dass die Nahrungsmittelproduktion gesteigert werden muss. Schätzungen der FAO vom November 2011 gehen davon aus, dass wir in den kommenden 40 Jahren die Erträge um % erhöhen müssen. Wir dürfen auch nicht vergessen, dass das Bevölkerungswachstum vor allem ein Ergebnis der vergangenen 100 Jahre ist: Im Jahr 1912 waren wir noch 1,7 Milliarden Menschen, jetzt sind wir 7 Milliarden. Erwartet werden für 2050 mehr als 9 Milliarden Menschen (s.a. Abb. 3 in dem folgenden Artikel von Uwe Sonnewald). Die Fläche an nutzbarem Ackerland, die zur Verfügung steht, ist aber kaum gewachsen, sie wird eher schrumpfen. Gründe dafür sind Verstädterung, Klimawandel und Versalzung von Böden durch Bewässerung. Die Pflanzenforschung muss daher unsere Kulturpflanzen weiterentwickeln, damit sie mit weniger Wasser, Dünger und Pflanzenschutzmitteln auskommen können und gleichzeitig höhere und stabile Erträge liefern. Dazu gehören auch Anstrengungen, die Verluste an Lebensmitteln durch falsche Lagerung und Verderb zu minimieren, ohne die Gesundheit der Menschen zu gefährden. Allerdings ist keiner der vorhandenen Ansätze allein in der Lage, die Herausforderungen zu lösen, es gibt nicht das magic bullet, mit dem allein wir alle uns bedrohenden Probleme sinnvoll angehen können. In der Pflanzenforschung ist dies nur mit einem integrierten Ansatz möglich, der klassische Züchtungsverfahren mit Forschungen in der Stressbiologie, Molekularbiologie, Gentechnik und moderner Agronomie kombiniert. Vor allem brauchen wir eine ideologiefreie Pflanzenforschung und eine Überwindung des Gegensatzes von Öko und GMP, denn mit Öko werden wir die Probleme, die vor uns liegen, sicherlich nicht lösen können. Pflanzenforschung muss daher problemund nicht technologieorientiert betrieben werden, damit alle Bereiche der Pflanzenproduktion voneinander profitieren können, also auch Öko von gentechnisch veränderten Pflanzen. Dies haben im Übrigen Pamela Ronald und Raoul Adamchak in ihrem Buch Tomorrows table-organic farming, genetics and the future of food beispielhaft diskutiert [6]. Zusammenfassung Die Geschichte der Pflanzenzüchtung zeigt eindrucksvoll das Bestreben der Menschheit, Pflanzen durch genetische Eingriffe stetig zu verbessern. Dabei wurden Wildmerkmale entfernt und Sorten entwickelt, die für den Menschen nützliche Eigenschaften aufwiesen. Allerdings stoßen die klassischen Methoden immer dann an Grenzen, wenn erwünschte Merkmale nicht im Genpool der kreuzbaren Arten liegen. Oft sind erwünschte Merkmale wie beispielsweise Resistenzen nicht oder nicht mehr im Genpool vorhanden oder sie sind mit negativen Eigenschaften gekoppelt. Dann kann es sinnvoll sein, fremde Genpools anzuzapfen, d.h. diese Eigenschaften mittels Gentransfer neu in die Kulturarten zu integrieren. Beispiele dafür werden vorgestellt und diskutiert. Zusammenfassend wird dafür plädiert, nicht so sehr die Methode zu diskutieren, mit der eine Pflanze verändert wurde, sondern das Ergebnis auf Nützlichkeit zu überprüfen. 110 Biol. Unserer Zeit 2/2012 (42) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

5 PFLANZENZÜCHTUNG Summary Changing the genetic setup of plants The history of mankind is closely linked to the success in domesticating plants and animals, while in the beginning in the naive era of plant biology the successes in changing the genetic setup of plants towards the adaptation of plants to human needs were slow, the re-discovery of Mendelian rules initiated the era of scientific breeding, culminating in the green revolution. Recently, however, classical breeding for the major crop species reached a ceiling as required traits, i.e. resistances against biotic and abiotic stresses could not be found within the crossable gene pools, so novel approaches like genetic engineering were applied to tap foreign gene pools in order to widen the existing gene pools. Some examples are illustrated and discussed in order to create awareness that not the methodology is what is counting, but the result. In that aspect, all agricultural practices have to be compared in order their respective contribution to secure the necessary production increases to feed an ever growing human population. Schlagworte Pflanzenzüchtung, Grüne Gentechnik, Kulturpflanzen Literatur [1] L. Baranek, Molekularbiologischer Nachweis von B.t.-Toxingenen auf Früchten und Gemüse, B.Sc.-Arbeit, Leibniz-Universität Hanover, [2] A. El-Banna et al, Over-expression of PR-10a leads to increased salt and osmotic tolerance in potato cell cultures, Journal of Biotechnology 2010, 150, [3] L. Hesser, The Man Who Fed the World: Nobel Peace Prize Laureate Norman Borlaug and His Battle to End World Hunger, Durban House, [4] J. v. Liebig, Organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agrikultur und Physiologie, Braunschweig 1842, 1. Teil, 8. Kapitel. [5] J. Reichholf, Warum die Menschen sesshaft wurden, S. Fischer Verlag, [6] P. C. Ronald, R. W. Adamchak, Tomorrows table-organic farming, genetics and the future of food, Oxford University Press, [7] K. Schreiber, Natürliche pflanzliche Resistenzstoffe gegen den Kartoffelkäfer und ihr möglicher Wirkungsmechanismus, Der Züchter 1957, 27, [8] [9] [10] [11] [12] Der Autor Hans-Jörg Jacobsen ist seit 1991 Professor für Molekulare Genetik an der Leibniz-Universität Hannover und Leiter der Abt. II-Pflanzenbiotechnologie im Institut f. Pflanzengenetik. Seine Arbeitsgebiete sind die Entwicklung von Transgen-Systemen zur Verbesserung der Resistenz von Nutzpflanzen (hauptsächlich Leguminosen) gegen Schaderreger und abiotischen Stress. Von war er Präsident des vdbiol, von Sprecher der Konferenz Biologischer Fachbereiche (KBF). Korrespondenz: Prof. Dr. H.-J.Jacobsen Institut f. Pflanzengenetik Abt. II-Pflanzenbiotechnologie Leibniz-Universität Hannover Herrenhäuserstr Hannover jacobsen@genetik.uni-hannover.de Biol. Unserer Zeit 111