Bettina Heberer. Grüne Gentechnik. Hintergründe, Chancen und Risiken

Transkript

1

2 essentials

3 Essentials liefern aktuelles Wissen in konzentrierter Form. Die Essenz dessen, worauf es als State-of-the-Art in der gegenwärtigen Fachdiskussion oder in der Praxis ankommt. Essentials informieren schnell, unkompliziert und verständlich. als Einführung in ein aktuelles Thema aus Ihrem Fachgebiet als Einstieg in ein für Sie noch unbekanntes Themenfeld als Einblick, um zum Thema mitreden zu können Die Bücher in elektronischer und gedruckter Form bringen das Expertenwissen von Springer-Fachautoren kompakt zur Darstellung. Sie sind besonders für die Nutzung als ebook auf Tablet-PCs, ebook-readern und Smartphones geeignet. Essentials: Wissensbausteine aus den Wirtschafts, Sozial- und Geisteswissenschaften, aus Technik und Naturwissenschaften sowie aus Medizin, Psychologie und Gesundheitsberufen. Von renommierten Autoren aller Springer-Verlagsmarken.

4 Bettina Heberer Grüne Gentechnik Hintergründe, Chancen und Risiken

5 Dr. Bettina Heberer Herxheim am Berg Deutschland ISSN essentials ISBN DOI / ISSN (electronic) ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Fachmedien Wiesbaden ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

6 Was Sie in diesem Essential finden können Grundlagen zur Genetik zum besseren Verständnis, wie grüne Gentechnik funktioniert Methoden der Pflanzenzüchtung konventionelle Methoden versus grüne Gentechnik In welchen Bereichen findet die grüne Gentechnik Anwendung? Sicherheit in der grünen Gentechnik wie laufen Zulassungsverfahren ab und was bedeuten Kennzeichnungspflichten für den Verbraucher? Welche Chancen bietet die grüne Gentechnik und wo liegen die Risiken? V

7 Vorwort Die grüne Gentechnik wird seit vielen Jahren kontrovers diskutiert. Insgesamt ist ein eher negatives Bild entstanden, das zu einer Verunsicherung der Bevölkerung führt. Besonders die Anwendung im landwirtschaftlichen Bereich und das Einbringen gentechnisch veränderter Pflanzen in Lebensmittel lehnen viele Verbraucher daher ab. Es besteht Angst vor negativen Folgen auf die Umwelt und die Gesundheit durch den Verzehr solcher Produkte. Bei vielen Verbrauchern ist dies eine Angst vor dem Unbekannten, ohne zu wissen, was bei der grünen Gentechnik geschieht und diese von der konventionellen Pflanzenzüchtung unterscheidet. Dieses Essential möchte keine Position für oder gegen grüne Gentechnik beziehen, zumal eine pauschale Antwort hierauf nicht gegeben werden kann. Als Biologin und Journalistin ist es mir ein Anliegen, Ihnen Hintergrundwissen zu vermitteln, mit dem Sie sich Ihre eigene, fachlich fundierte Meinung bilden können. Dr. Bettina Heberer VII

8 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen zur Genetik Die Erbinformation Die Mendelschen Regeln Pflanzenzüchtung Methoden der Pflanzenzüchtung Gentechnik in der Pflanzenzüchtung Anwendungsbereiche der grünen Gentechnik Sicherheit in der grünen Gentechnik Kennzeichnungspflicht Koexistenz in der Landwirtschaft Chancen und Risiken der grünen Gentechnik Zusammenfassung Was Sie aus diesem Essential mitnehmen können Literatur IX

9 Einleitung Die Gentechnik ist ein Bereich der Biotechnologie, bei der gezielte Eingriffe in das Erbgut von Organismen vorgenommen und gentechnisch veränderte Organismen (GVOs) erzeugt werden. Innerhalb der Gentechnik findet eine Unterscheidung nach Anwendungsbereich statt: Die rote Gentechnik beschäftigt sich mit Medizin und Pharmazie. Neue diagnostische Verfahren zur Erkennung von Krankheiten und Gendefekten sowie die Behandlung von Krankheiten mit Gentherapie zählen hierzu. Bei der weißen Gentechnik kommen Mikroorganismen und Enzyme für industrielle Zwecke zum Einsatz. Unter grüner Gentechnik wird die Veränderung des Erbguts von Pflanzen durch spezifische, gentechnische Verfahren (Abschn. 2.2) verstanden. Die grüne Gentechnik kommt bei der Züchtung und Nutzung von Pflanzen für die Landwirtschaft zur Anwendung und beeinflusst hierdurch den Lebensmittelbereich. Forscher arbeiten auch an der gentechnischen Veränderung von Nutztieren. 77 Nach Artikel 2 der europäischen Freisetzungsrichtlinie 2001/18/EG ist ein GVO ein Organismus mit Ausnahme des Menschen, dessen genetisches Material so verändert worden ist, wie es auf natürliche Weise durch Kreuzen und/oder natürliche Rekombination nicht möglich ist. Um zu verstehen, wie die grüne Gentechnik funktioniert und auf welche Weise sich GVOs erzeugen lassen, sollen im nächsten Kapitel die wichtigsten Grundlagen der Genetik erläutert werden. XI

10 Grundlagen zur Genetik Die Erbinformation Die meisten Lebewesen sind aus einer Vielzahl von Zellen aufgebaut. In jeder Zelle ist die komplette Erbinformation gespeichert, die bei der geschlechtlichen Fortpflanzung jeweils zur Hälfte von Mutter und Vater stammt. Die Erbinformation, die in ihrer Gesamtheit als Genom bezeichnet wird, befindet sich auf der Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA (für Englisch deoxyribonucleic acid ). Einzelne Abschnitte der DNA bestimmen die Ausprägung spezifischer Merkmale und heißen Gene. Die DNA liegt als Doppelstrang vor, der aus vielen Millionen chemischen Einheiten, den sogenannten Nukleotiden besteht. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker, der Desoxyribose, sowie einer Phosphatgruppe und einer von vier verschiedenen Basen. Das Rückgrat der DNA-Stränge bildet jeweils der Zucker, der über Phosphatgruppen miteinander verbunden ist. Über Basenpaare sind die beiden Stränge in der Mitte miteinander verbunden und bilden so ein Strickleiter-förmiges Molekül. Das DNA-Molekül ist in sich spiralförmig gedreht, woraus eine Doppelhelix-Struktur entsteht. Die vier in der DNA enthaltenen Basen sind Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Hiervon können jeweils nur Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin ein Paar bilden. Daher ergibt sich aus der Reihenfolge der Basen in einem DNA-Strang automatisch die entsprechende Basenreihenfolge des gegenüberliegenden Stranges. Die Reihenfolge der Basenpaare bestimmt dabei die genetische Information. Jeweils drei aufeinanderfolgende Basen definieren die Bildung einer spezifischen Aminosäure. Aminosäuren bauen die Proteine auf, die vielfältige Funktionen in der Zelle übernehmen. Die DNA ist in allen Zellen eines Lebewesens identisch. Von der Funktion der einzelnen Zelle hängt es ab, welche der DNA-Abschnitte beziehungsweise Gene in der Zelle abgelesen und welche Proteine gebildet werden. Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 B. Heberer, Grüne Gentechnik, essentials, DOI / _1 1

11 2 1 Grundlagen zur Genetik Die DNA liegt in den Zellen in mehreren stark gedrehten und gefalteten Strängen vor, den sogenannten Chromosomen. Die Anzahl an Chromosomen ist je nach Lebewesen unterschiedlich. Es besteht jedoch kein Zusammenhang zwischen der Chromosomenanzahl und der Komplexität eines Lebewesens. Der Mensch besitzt zum Beispiel 46 Chromosomen, bei der Gerste sind es 14 und bei der Kartoffel 48 Chromosomen. Im Gegensatz dazu ist die Anzahl an Genen, die sich auf den Chromosomen befinden, umso höher, je komplexer ein Lebewesen ist. Höhere Tiere und Pflanzen haben jedes Chromosom in doppelter Ausführung, die sich in Form, Struktur und der Abfolge der Gene gleichen. Es handelt sich um homologe (gleichartige) Chromosomen, die in einem diploiden (doppelten) Chromosomensatz vorliegen. Der Mensch hat daher 23 Chromosomenpaare, die in einem diploiden Chromosomensatz mit insgesamt 46 Chromosomen vorliegen. Bei einigen Pflanzenarten können die Chromosomen auch in mehr als zwei Kopien vorliegen, in diesem Fall handelt es sich um einen polyploiden Chromosomensatz. Da bei der Fortpflanzung jedes Elternteil die Hälfte seiner Erbinformation an die Nachkommen weitergibt, wird bei der Entstehung der Keimzellen der Chromosomensatz halbiert. Handelte es sich vorher um einen diploiden Chromosomensatz, enthalten die Keimzellen nur noch einen haploiden (einfachen) Chromosomensatz. Wenn die elterlichen Keimzellen verschmelzen, entsteht erneut ein diploider Chromosomensatz. Bei einem diploiden Chromosomensatz gibt es von jedem Gen zwei Kopien, die sogenannten Allele, die jeweils auf den homologen Chromosomen liegen. Trotz der Gleichartigkeit von homologen Chromosomen können die Allele in unterschiedlichen Ausführungen vorliegen: Das Gen für die Blütenfarbe kann auf einem Allel zum Beispiel das Merkmal für eine rote Blüte tragen, auf dem anderen Allel für eine weiße Blüte. Die Pflanze ist in diesem Fall in Bezug auf die Blütenfarbe heterozygot (mischerbig). Wenn beide Allele gleich sind, zum Beispiel beide das Merkmal für die rote Blütenfarbe haben, ist die Pflanze für dieses Merkmal homozygot (reinerbig). Alle Merkmale, die als genetische Information auf den Chromosomen vorliegen, werden vom Genotyp beschrieben. Es wird auch vom inneren Erscheinungsbild gesprochen, da nicht alle Merkmale nach außen sichtbar sind. So könnte zum Beispiel eine Pflanze mit einem Allel für eine rote Blüte und einem Allel für eine weiße Blüte äußerlich eine rote Blüte zeigen. Der Phänotyp beschreibt das äußere Erscheinungsbild, in diesem Beispiel die rote Blütenfarbe.

12 1.2 Die Mendelschen Regeln Die Mendelschen Regeln Im 19. Jahrhundert entdeckte der Augustinermönch Gregor Mendel bei Kreuzungsexperimenten mit der Erbsenpflanze bestimmte Gesetzmäßigkeiten in der Vererbung. Diese Gesetzmäßigkeiten sind in den drei Mendelschen Regeln zusammengefasst: Erste Mendelsche Regel die Uniformitätsregel Bei der Kreuzung von zwei Lebewesen, die sich in einem Merkmal unterscheiden, in Bezug auf dieses Merkmal jedoch jeweils homozygot sind, ist die Tochtergeneration (F1-Generation) in Bezug auf dieses Merkmal heterozygot. Ist zum Beispiel eine Pflanze homozygot für rote Blüten und die andere Pflanze für weiße Blüten, so sind alle Nachkommen der Tochtergeneration heterozygot und besitzen jeweils ein Allel für rote Blüten und ein Allel für weiße Blüten (Abb. 1.1). Die direkten Nachkommen zeigen alle das gleiche Aussehen. Sie haben den gleichen Genotyp und Phänotyp Zweite Mendelsche Regel die Spaltungsregel Bei Kreuzung der Tochtergeneration untereinander spalten sich die Merkmale der nächsten Generation (F2-Generation) in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf. Jeweils ein Viertel der F2-Generation ist homozygot für die rote oder weiße Blütenfarbe, die anderen Pflanzen sind ebenso wie die F1-Generation heterozygot mit einem Allel für rote Blüten und einem Allel für weiße Blüten (Abb. 1.2). X Eltern (F0-Genera on) F1-Genera on Abb. 1.1 Uniformitätsregel Abb. 1.2 Spaltungsregel X F1-Genera on F2-Genera on

13 4 1 Grundlagen zur Genetik Dritte Mendelsche Regel die Unabhängigkeitsregel Bei der Kreuzung von zwei Pflanzen, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, können die einzelnen Erbanalagen unabhängig voneinander vererbt und neu kombiniert werden. Hat zum Beispiel eine Pflanze rote Blüten und lanzettförmige Blätter, die andere Pflanze hat weiße Blüten und runde Blätter, können bei den Nachkommen auch Pflanzen mit roten Blüten und runden Blättern oder weißen Blüten und lanzettförmigen Blättern auftreten. Bei Pflanzen, die heterozygot für die Blütenfarbe sind, spielt für den Phänotyp der Pflanze, d. h. ob sie weiße, rote oder womöglich rosa Blüten besitzt, ein weiterer Punkt eine Rolle. Handelt es sich um einen dominant-rezessiven Erbgang, setzt sich ein Gen im äußeren Erscheinungsbild gegen ein untergeordnetes Merkmal durch. Es wird von einem dominanten Gen im Gegensatz zum rezessiven Gen gesprochen. Ist zum Beispiel das Gen für die rote Blütenfarbe dominant und eine Pflanze besitzt ein Allel für rote Blüten und ein Allel für weiße Blüten, zeigt die Pflanze im Phänotyp eine rote Blüte. In einem solchen Fall haben nach der Uniformitätsregel alle Nachkommen der F1-Generation rote Blüten. In der nächsten Generation zeigen ¾ der Pflanzen rote Blüten (alle, die homozygot für die rote Blütenfarbe sind sowie alle heterozygoten Pflanzen) und ¼ der Pflanzen zeigt weiße Blüten (alle, die homozygot für die weiße Blütenfarbe sind). Das Verhältnis ist immer 3:1. Bei einem intermediären Erbgang hingegen setzt sich keins der Gene gegen das andere durch, die Merkmale beider Eltern addieren sich. Sind zum Beispiel in einer Pflanze die Allele für rote und weiße Blüten gleich stark, zeigt die F1-Generation mit rosa Blüten eine Mischfarbe. In der nächsten Generation zeigen sich weiße, rosa und rote Blüten. Die Mendelschen Regeln bilden die Grundlage der systematischen Pflanzenzüchtung.

14 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

15 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.

16 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.

17 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

18 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.

19 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

20 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.