Klassische, ökologische und gentechnische Züchtungsmethoden und Ziele ein Überblick

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1 Grundlagenvortrag: Klassische, ökologische und gentechnische Züchtungsmethoden und Ziele ein Überblick Heiko Becker Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

2 Grundlagenvortrag & Impulsreferat: Klassische, ökologische und gentechnische Züchtungsmethoden und Ziele ein Überblick o Was ist Züchtung? Methoden und Ziele o Klassische Pflanzenzüchtung o Ökologische Pflanzenzüchtung o Gentechnik o Gentechnik und Alternativen Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

3 17. Witzenhäuser Konferenz Gegnern und Befürwortern der Gentechnik bieten wir ein Forum, um ihre Thesen und Standpunkte angemessen zu vertreten Mein Standpunkt: Wir können nicht endlos eine Ja-Nein-Debatte führen, angesichts einer weltweiten Anbaufläche für GMO-Pflanzen von derzeit 120 Millionen Hektar. Ich will aber Wahlfreiheit für Verbraucher und Landwirte sichern. Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

4 17. Witzenhäuser Konferenz Gegnern und Befürwortern der Gentechnik bieten wir ein Forum, um ihre Thesen und Standpunkte angemessen zu vertreten Mein Standpunkt: Wir können nicht endlos eine Ja-Nein-Debatte führen, angesichts einer weltweiten Anbaufläche für GMO-Pflanzen von derzeit 120 Millionen Hektar. Ich will aber Wahlfreiheit für Verbraucher und Landwirte sichern. Gentechnik ist heute ein Teil der modernen Pflanzenzüchtung, deswegen geht es in der Züchtungsforschung nicht um Behinderung oder Befürwortung der Gentechnik, sondern darum, die Risiken und Chancen dieser neuen Technologie wissenschaftlich zu untersuchen. Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

5 17. Witzenhäuser Konferenz Gegnern und Befürwortern der Gentechnik bieten wir ein Forum, um ihre Thesen und Standpunkte angemessen zu vertreten Mein Standpunkt: Wir können nicht endlos eine Ja-Nein-Debatte führen, angesichts einer weltweiten Anbaufläche für GMO-Pflanzen von derzeit 50 Millionen Hektar. Ich will aber Wahlfreiheit für Verbraucher und Landwirte sichern. Renate Künast, Bundesministerin für Verbraucherschutz, Ernährung, Landwirtschaft, 2002 Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

6 Was ist Pflanzenzüchtung? 1: Teosinte (wild) 2: früher Kulturmais 3: heutiger Mais

7 Ernte eines Maisbauern im Hochland von Zentralmexiko Pflanzenzüchtung ist die genetische Anpassung von Pflanzen an die Bedürfnisse des Menschen. Es gibt sie, seit es Landwirtschaft gibt.

8 Erzeugung von Variation in der Züchtung Seit > Jahren Auslese natürlicher Variation Seit ~ 1800 Kreuzung Seit ~ 1930 Mutationsauslösung Seit 1983 Gentechnik

9 Variation zwischen Sorten: Körner von 20 peruanischen Landsorten

10 Kulturkartoffel Wildkartoffel Landsorte aus Peru

11 Gregor Mendel, 1865: Versuche über Pflanzenhybriden Markerbse (zuckerreich; Amylose) Palerbse (zuckerarm, Amylopektin)

12 Erzeugung von Variation durch Kreuzung Das deutsche Kartoffelsortiment 1884 Sortengruppe Anzahl Sorten Beispiele Früh 59 Manhattan Patersons blaue Nieren Weisse Danziger Mittelfrüh 104 American Giant Blassrothe Victoria Zarte Hoheitskartoffel Spät 67 Thusnelda Triumph Pommerns Ueberflusskartoffel Busch 1884, aus Becker 1993

13 Erzeugung von Variation durch Kreuzung

14 Veränderung der Wuchshöhe bei Weizen Fotos: E. Ebmeyer, Lochow-Petkus

15 Veränderung der Wuchshöhe bei Mais GELBER BADISCHER LANDMAIS (vor 1953) MUTIN (1980) GAVOTT (2000)

16 Nutzung von Mutationen (Erbse) Normal 1. Mutation 2. Mutation Mutation -Fiederblätter - Nebenblätter

17 Erzeugung von Variation in der Züchtung Seit > Jahren Auslese natürlicher Variation Seit ~ 1800 Kreuzung Seit ~ 1930 Mutationsauslösung Seit 1983 Gentechnik

18 Klassische Zuchtmethoden: Klonsorten (ungeschlechtl.vermehrung, Kartoffel) Pflanzen sind heterozygot (gemischterbig) Sorte ist homogen: alle Pflanzen haben (fast) den gleichen Genotyp

19 Klassische Zuchtmethoden: Linienmischung (Selbstbefruchter, Gerste, Weizen) Gerste-Landsorte Äthiopien Pflanzen sind homozygot (reinerbig) Sorte ist heterogen: Pflanzen haben unterschiedliche Genotypen

20 Klassische Zuchtmethoden: Liniensorten (Selbstbefruchter, Gerste, Weizen) Pflanzen sind homozygot (reinerbig) Sorte ist homogen: alle Pflanzen haben (fast) den gleichen Genotyp

21 Klassische Zuchtmethoden: Populationsorten (Fremdbefruchtung, Roggen) Pflanzen sind heterozygot (gemischterbig) Sorte ist heterogen: Pflanzen haben unterschiedliche Genotypen

22 Populationssorte Warum Hybridsorten?

23 Heterosis Kreuzung von zwei homozygoten Genotypen Mehrleistung der Hybriden

24 Oben: Eltern und F1 (Hybridsorte) Unten: F2 (Nachbau) mit Aufspaltung (Mendel!) und Rückgang der Heterosis

25 Selbstbefruchter- Landsorten Populationssorten Heterogenität Liniensorten Heterozygotie Klonsorten Genetische Struktur verschiedener Sortentypen (nach Schnell 1982)

26 Ausgangspopulation (heterozygote Pflanzen) Inzuchtlinien (homozygote Pflanzen) Testhybriden (Kreuzung der Inzuchtlinien) Hybridzüchtung bei Fremdbefruchtern (vereinfacht)

27 Ausgangspopulation (heterozygote Pflanzen) Inzuchtlinien (homozygote Pflanzen) Testhybriden (Kreuzung der Inzuchtlinien) Hybridsorte (Kreuzung der beiden besten Inzuchtlinien; heterozygote Pflanzen, aber homogene Sorte) Hybridzüchtung bei Fremdbefruchtern (vereinfacht)

28 Selbstbefruchter- Landsorten Populationssorten Heterogenität Hybridsorten Liniensorten Klonsorten Heterozygotie Genetische Struktur verschiedener Sortentypen (nach Schnell 1982)

29 Bedeutung der Hybridzüchtung (Zugelassene Sorten Deutschland 2007) Hybrisorten andere Sorten Trend Zuckerrübe 85 0 Hybriden Mais Hybriden (nur?) Roggen >> Hybriden Raps > Hybriden Weizen Hybriden???

30 Was ist Ökologische Pflanzenzüchtung? o Saatguterzeugung im ökologischen Landbau o Sortenprüfung im ökologischen Landbau o Berücksichtigung spezieller Zuchtziele o Gesamter Züchtungsprozess im ökologischen Landbau o Verwendung spezieller ökologischer Zuchtmethoden Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

31 Belange des Ökologischen Landbaus Artenvielfalt Zuchtziele Zuchtmethoden (?)

32 Saflor (Färberdistel)

33 Die Phytophtora-tolerante Freilandtomate

34 Anbaufläche [1000 ha] Weizen Gerste Roggen Triticale Hafer Entwicklung der Anbauflächen bei Getreide in Deutschland

35 Kosten /ha Winterweizen Wintergerste Körnermais Winterraps Zuckerrübe Ackerbohne Saatgut Pflanzenschutzmittel Düngung Variable Produktionskosten (konventionell, 2006)

36 Spezifische Zuchtziele für den Ökologischen Landbau Unkrautunterdrückung Schädlingsresistenz (Insekten, Schnecken) Krankheitsresistenz (samenübertragbar) Nährstoffeffizienz (N, P?, K?) Qualität?

37 Mehltau Weizenflugbrand

38 Zuchtmethoden für den Ökologischen Landbau Keine Gentechnik Keine Hybridzüchtung? Keine Mutationsauslösung? Keine Zell- und Gewebekultur? Keine Molekularen Marker?

39 Zuchtmethoden für den Ökologischen Landbau Keine Gentechnik Keine Hybridzüchtung? Keine Mutationsauslösung? Keine Zell- und Gewebekultur? Keine Molekularen Marker? Ökologische Pflanzenzüchtung = Verzicht?

40 Zuchtmethoden für den Ökologischen Landbau Keine Gentechnik Keine Hybridzüchtung? Keine Mutationsauslösung? Keine Zell- und Gewebekultur? Keine Molekularen Marker? Nur Verzicht auf Methoden? Oder auch neue Methoden? Regionale Anpassung; Hofsorten

41 Ährenbeet-Methode (Martin Schmidt) 1985

42 DNA- Techniken: Marker Gentechnik

43 Marker: Analyse des Genotyps, führt aber zu keinen genetischen Veränderungen Heilbronn: tatrelevante DNA- Spur gesichert! Schülerinnen-Mord in Kassel: DNA-Spur vom Täter gefunden DNA-Analyse: Mörder nach 19 Jahren gefasst

44 Marker können z.b. dazu dienen, den Verlust von möglicherweise interessanten Genen während der Züchtung zu untersuchen Flaschenhälse in der Kulturpflanzenevolution: (Tanskley & McCouch 1997) 1. Domestikation 2. Übergang zur Modernen Züchtung

45 HCB

46 Erzeugung von Variation durch Gentechnik 1. Identifizierung eines interessanten Gens (DNA-Sequenz) 2. Isolierung des Gens 3. Herstellung eines Übertragungsvektors 4. Einbau in Pflanze - um pflanzeneigenes Gen zu blockieren - um pflanzeneigenes Gen zu verstärken ( Überexpression ) - um neues Gen einzuführen 5. Überprüfung des Effekts (Gewächshaus, Feld)

47 Was ist ein Promotor? - eine DNA-Sequenz am Anfang eines Gens (5 -Ende) - diese Sequenz interagiert mit Proteinen (u.a. RNApol II), die zusammen entscheiden: - wie stark ein Gen exprimiert (transkribiert) wird - wann ein Gen exprimiert wird (Samenkeimung, Blüte; Samenbildung, Abreife, etc.) - wo ein Gen exprimiert wird (Wurzeln, Blätter,Samen, Phloem, etc.) - man unterscheidet konstitutive und spezifische Promotoren, Beispiele: CaMV 35S: Konstitutiv = fast überall + immer, wichtig bspw. für Herbizidresistenz Napin: nur in den Samen, wichtig bspw. für die samenspezifische Veränderung der Ölqualität (Fettsäuren)

48 HCB

49 Gentechnik - Methoden Gentransfer direkt Gen (DNA) indirekt Gen (DNA) Agrobakterium Pflanzliche Zelle Pflanzliche Zelle Transgene Pflanze Transgene Pflanze

50 Goldpartikel HCB

51 Particle gun ( Gen-Kanone ) HCB

52 Agrobacterium tumefaciens HCB

53 Agrobakterium tumefaciens - ist ein ubiquitär im Boden vorkommendes gramnegatives, begeißeltes Bakterium, welches sich chemotaktisch auf verwundete Pflanzen (Wurzeln, etc.) zu bewegen kann - besitzt ein großes Plasmid, das Ti-Plasmid; Ti steht für Tumor induzierend Das Ti-Plasmid ist verantwortlich für die Eigenschaft, DNA in die Pflanze zu transferieren und für die Bildung der Tumore

54 Bakterienchromosom und Plasmid HCB

55 Gentransfer mit Hilfe von Agrobacterium

56 Züchterische Möglichkeiten zur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen Reduktion unerwünschter Stoffe (Sinapin) Erhöhung erwünschter Stoffe (Carotin) Einführung neuer Stoffe (Resveratrol) Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

57 Züchterische Möglichkeiten zur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen Reduktion unerwünschter Stoffe (Sinapin) Erhöhung erwünschter Stoffe (Carotin) Einführung neuer Stoffe (Resveratrol) Klassische Methoden Gentechnik Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

58 Züchterische Möglichkeiten zur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen Reduktion unerwünschter Stoffe (Sinapin) Erhöhung erwünschter Stoffe (Carotin) Einführung neuer Stoffe (Resveratrol) Tilling Klassische Methoden Gentechnik Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

59 Züchterische Möglichkeiten zur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen Reduktion unerwünschter Stoffe (Sinapin) Erhöhung erwünschter Stoffe (Carotin) Einführung neuer Stoffe (Resveratrol) Tilling Klassische Methoden Gentechnik Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

60 II Reduce amount of an existing product The Flavr Savr Tomato Antisense for reduced polygalacturonase activity = increased shelf life

61 Functional food : Phytosterole senken den Cholesterinspiegel Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

62 Resveratrol- und Sinapoylbiosyntheseweg p-cumarsäure Sinapinsäure SGT HS-CoA Malonyl-CoA STS (Stilbensynthase) Sinapoylglucose Sinapin RESVERATROL Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

63 Resveratrol: antioxidant, u.a. anticancerogen enthalten u.a. in Weintrauben, aber nicht im Raps Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

64 Gentechnik: Herbizidtoleranz (Raps) Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

65 Gentechnik: Insektenresistenz (Bt) gegen Maiszünsler Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

66 Golden Rice Beta-Carotin (Provitamin A) Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

67 Carotinhaltige Kartoffeln W. Schenkel, Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung TU München Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

68 Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung Schädlingsresistenter Mais

69 Chancen und Risiken der gentechnischen Veränderung von Pflanzen 1944 DNA als Erbsubstanz AVERY u.a DNA-Struktur WATSON, CRICK u.a Genetischer Code NIRENBERG, MATTHAEI u.a Restriktionsendonucleasen ARBER u.a RFLP Marker BOTSTEIN u.a Transformation von Pflanzen POTRYKUS u.a DNA Sequenz von Arabidopsis sehr viele HCB

70 Gentechnisch veränderte Sorten in der Wertprüfung 1999 Fruchtart Merkmal Anz. Sorten Markteinführung Mais Insektenresistenz Herbizidtoleranz Winterraps Herbizidtoleranz Sommerraps Laurinsäure Zuckerrübe Herbizidtoleranz DLG-Mitt. 11/1999

71 60 Transgenic rapeseed in Europe Others/unknown Disease res. Seed quality Herb. tol/m s Herbicide tol Number of filed applications for field testing of transgenic rapeseed Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

72 Acreage [Mio h Anbau transgener Pflanzen (weltweit) Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

73 Anbau transgener Pflanzen 2008 (weltweit) Soja 66 Mio ha (72% der Fläche) Mais 37 (23%) Baumwolle 16 (47%) Raps 6 (21%) Anbau von transgenem Mais 2008 (Europa) Spanien Tschechien Rumänien Portugal Deutschland Polen Frankreich 0 Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

74 Herbizidtoleranter Raps in Kanada Total HR Canola area (%) Glyphosate-HR Glufosinate-HR Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung Year Imidazolinone-HR Bromoxynil-HR

75 Ungefähre Genomgröße verschiedener Organismen (haploid) Organismus Anzahl DNA-Basenpaare Escherichia coli Bakterium Arabidopsis thaliana Ackerschmalwand Oryza sativa Reis Zea mays Mais Homo sapiens Mensch Hordeum vulgare Gerste Triticum aestivum Saatweizen Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

76 Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist entschlüsselt (?)

77 Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist entschlüsselt (?) Ei riitä, että yksittäiset kirjaimet DNA-sekvenssiä voidaan lukea ja että tiedät geenisekvenssejä. On myös tiedettävä, miten tärkeää on yksittäisiä sanoja (geenejä) on.

78 Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist entschlüsselt (?) Es reicht nicht aus, dass man die einzelnen Buchstaben der DNA-Sequenz lesen kann, und dass man die Gensequenzen kennt. Man muss auch wissen, welche Bedeutung die einzelnen Worte (=Gene) haben. Ei riitä, että yksittäiset kirjaimet DNA-sekvenssiä voidaan lukea ja että tiedät geenisekvenssejä. On myös tiedettävä, miten tärkeää on yksittäisiä sanoja (geenejä) on.

79 Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist entschlüsselt (?) Es reicht nicht aus, dass man die einzelnen Buchstaben der DNA-Sequenz lesen kann, und dass man die Gensequenzen kennt. Man muss auch wissen, welche Bedeutung die einzelnen Worte (=Gene) haben. Ei riitä, että yksittäiset kirjaimet DNA-sekvenssiä voidaan lukea ja että tiedät geenisekvenssejä. On myös tiedettävä, miten tärkeää on yksittäisiä sanoja (geenejä) on.

80 Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

81 hoher Anteil an Anthocyan 40 % mehr Beta-carotin süßer im Geschmack keine Genmanipulation Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

82 hoher Anteil an Anthocyan 40 % mehr Betakarotin süßer im Geschmack keine Genmanipulation So entstand die BioBetaSweet -Karotte, bei der es sich nicht um eine Neuzüchtung, sondern um eine Kreuzung einer alten schwarzen Karottensorte mit der uns bekannten orangefarbenen handelt Keine Genmanipulation = keine Neuzüchtung??? Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

83 Google: Risiko Gentechnik Hinweise

84 Google: Risiko Gentechnik Hinweise Risiko Handy Hinweise

85 Vielfalt statt Einfalt: Klassische Pflanzenzüchtung Ökologische Pflanzenzüchtung Gentechnik

86 Vielfalt statt Einfalt: Klassische Pflanzenzüchtung Ökologische Pflanzenzüchtung Gentechnik Danke fürs Zuhören