Wie verändert man ein Pflanzengenom?

Natürlich vorkommende Pflanzen und Tiere waren den Menschen noch nie gut genug. Ihre Eigenschaften und ihr Erbgut an unsere Bedürfnisse anzupassen hat eine zehntausendjährige Geschichte, die wohl durch einfache Auswahl bestimmter Samen begann. Seit einigen Jahrzehnten allerdings dominieren Hightechmethoden die Entwicklung neuer Feldfrüchte.

Die ersten Verfahren, das Genom existierender Feldfrüchte auf technischem Wege direkt zu verbessern, verließen sich noch zu einem beträchtlichen Teil auf den Zufall. Bei der Mutagenese-Züchtung erzeugen radioaktive Strahlung oder erbgutverändernde Chemikalien wie Ethylmethansulfonat im Erbgut der Pflanzen ungezielt Mutationen. Man testet, ob durch Zufall eine Pflanze mit gewünschten Eigenschaften entstanden ist und kreuzt diese dann in andere Sorten ein. Seit Einführung des Verfahrens in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts entstanden so mehrere hundert künstlich mutierte Sorten, die allerdings trotz vergleichbarer Risiken von Gentechnikgesetzgebungen bisher nicht betroffen sind.

Die ersten auch in der öffentlichen Wahrnehmung als "gentechnisch verändert" angesehenen Nahrungspflanzen entstanden auf nicht weniger rabiatem Weg – die gewünschten Erbgutabschnitte werden auf kleine Metallpartikel aufgetragen und diese mit einer Kanone auf Zellkulturen oder Pflanzengewebe geschossen. Sie durchdringen Zellwände und Membranen, so dass die DNA ins Zellinnere gelangt und dort zufällig ins Genom eingebaut wird. Dieses Verfahren hat einige erfolgreiche GMO-Sorten hervorgebracht und ist immer noch in Gebrauch.

Gentechnik oder doch nicht?

Gängigster Überträger fremder Gene auf Pflanzen ist heute das Bakterium Agrobacterium tumefaciens. Dieser Pflanzenparasit überträgt auch unter natürlichen Bedingungen einen Teil des so genannten Ti-Plasmid auf die befallene Pflanze, und diesen DNA-Abschnitt kann man nahezu beliebig gestalten. Die in das Ti-Plasmid eingebauten Gene schleust A. tumefaciens in die Zellen einer pflanzlichen Zellkultur ein, und aus den veränderten Zellen zieht man dann wieder eine ganze, nun genetisch veränderte Pflanze. Die Methode ist weit verbreitet, funktioniert jedoch nicht bei allen Pflanzen ohne zusätzliche Tricks – Weizen und Mais zum Beispiel attackiert der Erreger unter normalen Umständen nicht.

Der Status von Pflanzen, die durch die Fusion von Zellen entstehen, ist wiederum nicht geklärt. Bei diesem Verfahren zerstört man enzymatisch die steife Zellwand und behandelt die nackten Zellen anschließend mit Polyethylenglykol oder elektrischem Strom, damit sie verschmelzen. Ob dieses Verfahren als Gentechnik gilt, ist selbst unter Gentechnikgegnern umstritten. Auf diese Weise gewinnt man zum Beispiel Pflanzenlinien für Hochleistungssorten, die sich nicht selbst befruchten und dadurch besser mit anderen Linien gekreuzt werden können – aber auch Kuriositäten wie eine Mischung aus Tomate und Kartoffel, die nicht durch Kreuzung oder auf anderen natürlichen Wegen möglich wären.

Schon die bereits bekannten Methoden zeigen, dass es keineswegs einfach ist, Gentechnik und "natürliche" Veränderungen voneinander abzugrenzen. In Zukunft wird die Lage sogar noch unübersichtlicher werden – schon heute gibt es zum Beispiel Kartoffeln und Äpfel, die zwar mit gentechnischen Methoden verändert sind, allerdings lediglich durch Gene anderer Sorten der eigenen Art. Ob solche als "cisgen" bezeichneten Pflanzen als GMO-Pflanzen gelten, ist unklar. Im Prinzip kann man solche Sorten konventionell züchten, dabei allerdings wäre der Aufwand größer – bei Obstbäumen kann das schon mal Jahrzehnte oder Jahrhunderte dauern.

GMO-Nahrungsmittel aus dem Garten der Natur

Aber auch die eher grobschlächtigen bisherigen Verfahren, bei denen genetisch veränderte Organismen entstehen, sind keineswegs so weit von natürlichen Vorgängen entfernt, wie man meinen sollte. Ähnliche Veränderungen treten auch außerhalb des Labors auf. Das könnte in Zukunft zu der bizarren Konsequenz führen, dass auch alte Zuchtsorten vom Gentechnik-Verbot betroffen sind, wenn man bei der Regulierung solcher Verfahren nicht sorgfältig aufpasst.

Forscher entdeckten zum Beispiel kürzlich durch Zufall Erbgut zweier Arten von Agrobacterium im Genom von wilden und kultivierten Süßkartoffelarten. Gene dieser im Labor gebräuchlichen Genfähre gelten als Marker für den Anteil gentechnisch veränderter Produkte in Lebensmitteln. Es ist völlig unklar, wie oft solche "natürliche Gentechnik" generell bei Nutzpflanzen vorkommt – und ob solche Pflanzen Risiken bergen, die Kritiker der Gentechnik bei künstlich veränderten Organismen vermuten.

Diabrotica virgifera
© USDA, ARS / Tom Hlavaty
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDiabrotica virgifera
Der Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera), gegen den gentechnisch veränderter Mais hilft, breitet sich inzwischen auch in Europa aus.

Die Frage, ob man einen Organismus anhand seiner Herkunft oder anhand seiner Eigenschaften bewerten sollte, wird sich in Zukunft häufiger stellen. Gentechnisch veränderte Feldfrüchte werden vermutlich immer seltener neue oder gar fremde Gene enthalten. Mit den Methoden des so genannten "gene editings" kann man gezielt einzelne Stellen im Genom verändern, und so Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften erzeugen. Die so erzeugten gentechnisch veränderten Pflanzen sind dann lediglich eine weitere Variante der natürlichen Bandbreite einer Art und entsprechend nicht reguliert. Schon heute sehen wir, dass nicht nur die öffentliche Debatte, sondern vor allem auch das geltende Recht durch den technischen Fortschritt der Biotechnologie überfordert ist.

Am Verbraucher vorbei

Anders als die medizinische Gentechnik, deren Nutzen weithin unumstritten ist, hat es die Grüne Gentechnik schwer, innerhalb der Bevölkerung Zustimmung zu finden – trotz ähnlicher Kritikpunkte zum Beispiel bei Patenten auf Lebewesen oder im Hinblick auf die ökonomischen Strukturen der Branche. Biotechnisch produzierte Medizin hat allerdings einen sehr direkten und einleuchtenden Nutzen. In über zwei Jahrzehnten Grüner Gentechnik ist für Verbraucherinnen und Verbraucher dagegen wenig Greifbares herausgesprungen.

Der kommerzielle Erfolg der bisher etablierten gentechnisch veränderten Feldfrüchte erklärt sich aus Vorteilen in der Verarbeitungskette, wo sie für die Konsumenten quasi unsichtbar sind: Die meisten GMO-Pflanzen sind für die Bauern einfacher und billiger anzubauen als konventionelle Sorten – zum Beispiel weil das Patent für das Herbizid Glyphosat ausgelaufen ist und der Wirkstoff deswegen deutlich billiger geworden ist. Vergleichbares gilt für andere Eigenschaften der veränderten Sorten: So kommt eine Studie zu dem Schluss, durch GMO-Pflanzen seien Pestizide um ein Drittel zurückgegangen und die Einnahmen der Bauern um fast 70 Prozent gestiegen.

Unklar ist, ob die wirtschaftlichen Vorteile für Bauern auch in Zukunft Bestand haben. Neben resistenten "Superunkräutern" und gegen bewährte , gegen Bt-Toxine unempfindliche Schädlinge könnten auch höhere Preise für genetisch verändertes Saatgut die Nachfrage nach veränderten Sorten verringern. Generell ist GMO-Saatgut teurer als das der meisten anderen Sorten, weil bei ihnen der "technology fee" fällig wird, eine zusätzliche Lizenzgebühr. Diese waren Ende der 1990er Jahre niedrig – die Hersteller legten die Preise für Saatgut so fest, dass es sich für die Bauern kräftig lohnte, auf die neuen Sorten umzusteigen. Experten spekulieren nun, ob die deutlich höheren Preise den Trend zu GM-Sorten bremsen werden. Betrachtet man die Kosten für Saatgut und Pestizide allerdings gemeinsam, liegen diese für GMO-Sorten seit ihrer Einführung konstant bei etwas über 50 Prozent der Gesamtkosten.

Das große Versprechen hinter der Entwicklung genetisch veränderter Pflanzen ist dagegen eine zweite Grüne Revolution. Befürworter der Grünen Gentechnik hoffen auf genetisch veränderte Feldfrüchte, die mit weniger Wasser, Krankheiten oder Parasiten klarkommen. Sie sollen weniger Pestizide oder Dünger benötigen und generell mehr Erträge liefern, um die wachsende Weltbevölkerung zu versorgen.

Bei allen schönen Visionen und Möglichkeiten – was die Grüne Gentechnik an dieser Front bisher geliefert hat, ist eher dünn. Viele der Pflanzen mit erhofften positiven Effekten existieren bisher erst im Labor. Seit der Markteinführung im Jahr 1996 dominieren Sorten mit wirtschaftlichen Vorteilen vor allem für Agrarbetriebe. Wirklich darüber hinausgehende Eigenschaften, die auf die Bedürfnisse zum Beispiel von Kleinbauern in Entwicklungsländern und ihre Kunden zugeschnitten sind, sucht man bisher vergeblich – vielleicht abgesehen vom so genannten Goldenen Reis.

Zukunft goldener Reis?

Der Goldene Reis ist bislang das einzige prominente Beispiel für eine biotechnisch verbesserte Nahrungspflanze, die ein Problem jenseits der Lebensmittelproduktion lösen soll. Diese Sorte enthält zwei zusätzliche Gene aus Mais und einem Bakterium und produziert deswegen β-Carotin in den Körnern statt nur in den Blättern. Dadurch könnte die Pflanzen den weit verbreiteten Vitamin-A-Mangel in Ländern lösen, in denen normaler, an β-Carotin armer Reis das Grundnahrungsmittel ist. Derzeit allerdings bekämpfen Gentechnikgegner das Projekt heftig, so dass sich Tests und Marktzulassung in Asien bisher verzögert haben.

Streit entfacht sich unter anderem um die Frage, inwieweit mit dem Reis verknüpfte Patente geltend gemacht werden könnten – allerdings sind diese Probleme nach Angaben der Entwickler bereits gelöst. Auch dass gentechnisch veränderte Pflanzen nicht hinreichend auf ihre Sicherheit getestet seien, wie unter anderem Greenpeace in einem Video behauptete, lässt sich angesichts der erheblichen Anzahl der Studien nicht aufrechterhalten. Inzwischen sehen sich die Gegner des Projekts ebenfalls zunehmender Kritik ausgesetzt, sie würden den Goldenen Reis aus rein ideologischen Gründen behindern und seien für die gravierenden Folgen des Vitamin-A-Mangels mitverantwortlich, die der Goldene Reis lindern soll.

Medizin aus gentechnisch veränderten Pflanzen

Der Goldene Reis ist ein Beispiel dafür, dass sich die Grüne Gentechnik teilweise mit medizinischer Gentechnik überschneiden kann. In jenem Bereich haben genetisch veränderte Pflanzen bereits ihren Wert erwiesen: Die Antikörper für das experimentelle Ebola-Medikament ZMapp zum Beispiel stammen aus gentechnisch veränderten Tabakpflanzen – weitere dieser so genannten Plantibodies zum Beispiel gegen HIV sind in Vorbereitung.

Ursprünglich hofften viele Forscherinnen und Forscher auf so genannte essbare Impfstoffe – Nahrungsmittel, die gleichzeitig vor Krankheiten schützen und sich recht einfach und kostengünstig auch in ärmeren Regionen verteilen lassen. Angesichts des Widerstands gegen gentechnisch veränderte Lebensmittel werden pflanzenbasierte Pharmazeutika wohl als klassische Medikamente auf den Markt kommen.

Kaum Gesundheitsrisiken durch GMO-Pflanzen

Wegen der weltweit und vor allem in Europa strengen Gesetzeslage gibt es umfangreiche Forschungsarbeiten über die Sicherheit von genetisch veränderten Feldfrüchten, die auch in einer öffentlich zugänglichen Datenbank der EU ebenso wie in dem unabhängigen Projekt GENERA gesammelt werden. Der gegenwärtige Stand der Forschung ist, dass von gentechnisch veränderten Nutzpflanzen selbst keine größere Gefahr für die menschliche Gesundheit ausgeht als von anderen Feldfrüchten. Die EU zum Beispiel kam 2010 in einer Bilanz von zehn Jahren GMO-Forschung zu diesem Schluss, ebenso wie eine viel zitierte Zusammenfassung von fast 1800 Arbeiten und Datensätzen seit der Jahrtausendwende.

Allerdings schließt das natürlich nicht aus, dass eine bestimmte veränderte Sorte tatsächlich gefährlich ist. Eine der am weitesten verbreiteten Sorgen ist, dass genetisch veränderte Pflanzen Lebensmittelallergien hervorrufen können, weil sie Allergene anderer Pflanzen oder gar völlig neue Allergene erzeugen. Seit ein paar Jahren kursiert zum Beispiel die Legende, genetisch veränderte Erdbeeren enthielten Proteine aus Erdnüssen. Das stimmt zwar nicht, illustriert aber ein potenzielles Problem – Menschen mit Allergien müssen natürlich auch in Zukunft sicher sein können, nicht unbeabsichtigt gefährliche Nahrungsmittel einzunehmen. Bisher gibt es nach Angaben des britischen Institute of Food Research keinen einzigen Fall eines gentechnisch veränderten Lebensmittels, das eine neue Allergie hervorgerufen hätte.

Es müssen aber nicht unbedingt Allergene sein – viele Pflanzen produzieren giftige Inhaltsstoffe, zum Beispiel Pestizide, die Schädlinge abschrecken. Ein Gen in so eine Pflanze einzuführen, so die Befürchtung, könnte auf solche Stoffe und ihre Gene unerwünschte Wirkungen haben, so dass zum Beispiel Stoffe wie das toxische Solanin in höherer Menge produziert werden. Diese so genannten pleiotropen Effekte sind kein spezifisches Problem der Gentechnik, sondern können natürlich auch beim Züchten neuer Sorten auftreten, egal ob durch Kreuzung oder zum Beispiel durch Bestrahlung. Gentechnisch veränderte Feldpflanzen sind vor solchen Effekten eher noch sicherer – sie werden auf ihre Sicherheit getestet.

Potenziell gefährdet ist aber nicht nur der Mensch – der größte Teil der bisher kommerzialisierten GMO-Pflanzen enthält entweder ein Gen für ein Pestizid, oder ist gegen bestimmte Unkrautvernichtungsmittel resistent. Beides beeinflusst direkt oder indirekt Organismen in der näheren Umgebung, und Experten sehen hier eine erhebliche Bedrohung der Biodiversität. So ist umstritten, welche Auswirkungen so genannte Bt-Pflanzen auf die biologische Vielfalt haben. Sie produzieren Insektengifte natürlicher Herkunft, die als Pestizid unter anderem in der Biolandwirtschaft seit einem halben Jahrhundert zum Einsatz kommen.

Kritiker befürchten, dass sie nicht nur Schädlinge töten, sondern auch Insekten, die nur Pollen und Nektar aus den Blüten fressen, sowie wiederum deren Fressfeinde. An Versuchen, einen derartigen Zusammenhang nachzuweisen, mangelt es nicht. Im Fall des Bt-Toxins ist in der Mehrzahl der Untersuchungen kein negativer Effekt aufgetaucht, allerdings gibt es auch Untersuchungen, die dem widersprechen und die bisherige Datenbasis für unzureichend erklären. Allerdings sind solche speziellen Effekte klein im Vergleich zu den massiven Auswirkungen der Landwirtschaft auf die Artenvielfalt generell.

Probleme für Bestäuber und Nektarfresser – und durch Resistenzen

Der Effekt herbizidresistenter Pflanzen wiegt notwendigerweise deutlich schwerer, da eine weit größere Bandbreite von Wildpflanzen von den Feldern ferngehalten werden soll – und das gelingt auch. Unter dem Verlust solcher Pflanzen leiden Bestäuber wie Hummeln oder Wildbienen, die durch Pestizide und veränderte Flächennutzung bereits erheblich unter Druck sind. Kritiker sehen hier zwei große Probleme: Einerseits, dass sich durch den Einsatz eines einzigen Herbizids resistente Wildpflanzen bilden, gegen die der Stoff dann nicht mehr wirkt – eine Vorhersage, die sich zum Leidwesen der Bauern teilweise bewahrheitet hat. Außerdem kursiert die Behauptung, das meist verwendete Herbizid Glyphosat beziehungsweise seine verschiedenen Zubereitungen seien entgegen der vorliegenden Sicherheitsinformationen Schuld an einer erstaunlich großen Zahl verschiedener Gesundheitsschäden.

Kritiker machen genetisch veränderte Pflanzen dafür verantwortlich, dass der Verbrauch an Agrarchemikalien wie eben Pestiziden und Herbiziden in den letzten Jahren deutlich gestiegen sei. Allerdings vermeldet die US-Landwirtschaftsbehörde, dass der Verbrauch an Pestiziden durch den Einsatz von Bt-Mais und -Baumwolle seit der Einführung dieser Sorten zurückgegangen sei. Generell verbrauchen Bauern immer weniger der teuren Agrochemikalien, aber auch wenn man diesen Effekt berücksichtigt, sank der Verbrauch an Pestiziden in einer solchen Studie mit je zehn Prozent mehr GMO-Mais um etwa vier Prozent. Die Daten zeigen auch: Die Bt-Sorten führen dazu, dass die Schädlingspopulationen generell auf großer Fläche zurückgehen, sowohl in Nordamerika als auch Europa – und dass über 90 Prozent aller US-Maisbauern keine Pestizide verwenden.

Herbizidtolerante Pflanzen wie die Roundup-Ready-Sorten des Saatgutherstellers Monsanto bieten dagegen in dieser Untersuchung ein eher gemischtes Bild. In den ersten Jahren ging laut Daten aus den USA die Menge an verbrauchten Substanzen pro Fläche tatsächlich ein wenig zurück – um seit 2005 um ein Viertel anzusteigen. Ursache ist vermutlich, dass viele Wildpflanzen recht schnell eine Toleranz gegen die eingesetzten Substanzen entwickelt haben. Der wesentliche Effekt der Einführung herbizidtoleranter Pflanzen ist nach Ansicht vieler Experten, dass andere Herbizide durch Glyphosat ersetzt wurden – Letzteres verbleibt demnach weniger lange in der Umwelt und ist weniger toxisch als andere Herbizide.

Schieflage im Saatgutmarkt

Genetisch veränderte Feldfrüchte haben trotz erheblicher Widestände überraschend leicht ihren Platz in der Landwirtschaft gefunden. GMO-Pflanzen wachsen heute auf etwa 12 Prozent der weltweiten Anbaufläche. Ihr Saatgut erzeugt einen Umsatz von – grob geschätzt – etwa 16 Milliarden Dollar weltweit.

Nahezu 90 Prozent der Anbauflächen genetisch veränderter Kulturen liegen in Nord- und Südamerika, andere nennenswerte Flächen nur noch in Indien und China. In Europa ist derzeit eine genetisch veränderte Feldfrucht zugelassen, die Maissorte MON810. 90 Prozent der Anbauflächen liegen in Spanien. Mais ist nach Soja die bedeutendste genetisch veränderte Feldfrucht weltweit, gefolgt von Baumwolle und Raps.

Die Zahlen belegen einerseits, dass genetisch veränderte Feldfrüchte schon heute eine wesentliche Rolle in der Landwirtschaft spielen – andererseits verdeutlichen sie aber auch ein deutliches Ungleichgewicht: Nahezu der komplette Markt umfasst drei Länder, drei Pflanzen und sogar überwiegend eine einzige veränderte Eigenschaft, 84 Prozent aller angebauter Sorten enthalten eine künstlich erzeugte Herbizidresistenz.

Das große Übergewicht der genetisch veränderten Sorten – in den USA machen sie bei Soja, Mais und Baumwolle jeweils mindestens 90 Prozent der Anbaufläche aus – birgt die Gefahr, dass Bauern die Rückkehr zu nicht veränderten Sorten verwehrt ist, einfach weil es keine mehr gibt. Auf diese Weise setzt sich ein Trend der letzten Jahrzehnte fort: Immer weniger Sorten machen einen immer größeren Anteil der Feldfrüchte aus.

Bedrohte Vielfalt

Nicht nur bei gentechnisch veränderten Nahrungsmitteln versuchen Saatguthersteller, Sorten vom Markt zu nehmen, deren Lizenzen abgelaufen sind. Der emotionale Streit um die Kartoffelsorte Linda vor wenigen Jahren ist ein Beispiel. Der Verlust der Vielfalt hat neben weniger Wahlfreiheit eventuell auch die Folge, dass mögliche erwünschte genetische Eigenschaften nicht mehr zugänglich sind. Experten bemängeln: Das Potenzial des Keimplasmas, also der Summe allen genetischen Materials einer Sorte, werde geringer geschätzt als die technisch erzeugten genetischen Veränderungen. Das sei vermutlich ein Fehler.

Denn diese Einstellung berge die Gefahr, dass genetische Methoden die klassische Züchtung verdrängen und die wichtigsten Feldfrüchte langfristig in der Hand einiger weniger Unternehmen landen – ein Szenario, in dem das Wohlergehen ganzer Staaten von den ökonomischen Entscheidungen dieser Firmen abhängt. Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass so ein extremes Szenario eintritt. Die starke Konzentration im Moment ist eher das Ergebnis eines sehr unausgewogenen Marktes. Es scheint nicht unplausibel, dass sich das wieder ändert: Die Patente der ersten GMO-Sorten sind 2014 ausgelaufen – und diese damit im Prinzip frei verfügbar.