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Genomik bei Pflanzen - ein in Deutschland schlecht beackertes Feld


Jeder hat selbst oder in seinem Umfeld schwere Krankheiten erlebt, und so ist die Risikobereitschaft gegenüber neuen Techniken in der Medizin – darunter auch solchen der Gentechnik oder, neutraler formuliert, der Genomik im medizinischen Sektor – schnell gewachsen. Der gelegentlich kranke Bundesbürger wird aber dank der überaus produktiven Landwirtschaft stets satt und möchte bei Lebensmitteln nicht einmal das minimalste Risiko eingehen. Indes ist keine neue Entwicklung ohne Risiken zu haben.

Mit der Anlandung der ersten transgenen Sojabohnen aus den USA in Hamburg im Herbst 1996 ist die Akzeptanz von Produkten gentechnischer Forschung in Deutschland sogar weiter gesunken. Selbst die Möglichkeiten, welche die Genomik der Botanik insgesamt eröffnet, werden hierzulande kaum umgesetzt. Dabei ist es die Flora, auf die sich alles höhere Leben auf unserem Planeten gründet. Pflanzen liefern der Menschheit auch ihre wichtigsten Grundnahrungsmittel, vor allem Weizen, Reis, Mais, Gerste und Kartoffeln.

Nun rücken mit der Globalisierung, die das nächste Jahrhundert prägen wird, nicht nur die Märkte, sondern auch die Problemzonen aller Welt gleichsam näher aneinander heran. Die besorgniserregende Ernährungssituation in Ländern Afrikas, Asiens und Lateinamerikas, die sich zum Teil kaum selbst versorgen können, wird uns einmal direkt tangieren. Verschärft wird die Schwierigkeit der globalen dauerhaften Ernährungssicherung noch dadurch, daß mehr und mehr Menschen vor allem in den prosperierenden asiatischen Staaten ihre traditionell einfachen Hauptmahlzeiten durch eine Portion Fleisch anreichern möchten. So wird zunehmend Getreide als Tierfutter aufgebraucht; von den immer größeren Mengen kann allerdings nur weniger als ein Zehntel des Nährwertes in Form von Fleisch konsumiert werden.

Hinzu kommen witterungsbedingte Ertragsschwankungen. Zum Beispiel bewirkte die schlechte Weizenernte 1995, daß sich kurzfristig der Weltmarktpreis dieses Getreides verdoppelte und sogar die Mühlen im reichen Mitteleuropa nicht mehr nach Belieben Sorten für optimale Mischungen erhielten. Auf der Konferenz der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) im November letzten Jahres in Rom kamen die Vertreter der beteiligten Staaten zu dem Schluß, anhaltende Hungersnöte und die Mangelernährung ganzer Populationen seien nur zu vermeiden, wenn in Zukunft weltweit auf weniger Fläche mehr Nahrung produziert werde (siehe auch Spektrum der Wissenschaft, November 1996, Seite 74).

Unter anderem muß der Mensch in der Pflanzenproduktion einfallsreicher sein, weil das Milliardenheer der Schadorganismen uns mit immer neuen Virulenzen einen erheblichen Anteil der Nahrung streitig macht, und effizienter, als der pflanzliche Stoffwechsel es eigentlich vorsieht, also anthropozentrischer als die Evolution. Seit der jungsteinzeitlichen Revolution, als Jäger und Sammler zu seßhaften Viehzüchtern und Ackerbauern wurden, ist durch Auslese in rund 10000 Jahren der Ertrag der aus Wildpflanzen entstehenden Kulturpflanzen etwa verdoppelt worden; erst in den letzten 100 Jahren, nachdem man die Mendelschen Erbregeln in wissenschaftlich fundierter klassischer Züchtung erfolgreich anwandte, konnten sie nochmals weltweit vervierfacht werden.


Vorteile der Pflanze

Optimaler Ertrag stellt jedoch Landwirte und Verbraucher nicht mehr allein zufrieden; der heutige Konsument, der auch umweltbewußter geworden ist, erwartet immer bessere Qualität. All diese Forderungen sind mit herkömmlichen Züchtungsmethoden nur zu langsam zu erfüllen.

Unabhängig davon, daß Pflanzen ohnehin die Grundlage der Ernährung bilden, haben sie als Objekte der Eukaryoten-Genetik, nämlich der von Organismen, die – anders als Bakterien – einen echten Zellkern haben, gegenüber den Tieren wesentliche Vorteile: Man kann leicht mit sehr großen Populationen arbeiten; es existieren umfangreiche Mutantensortimente, und das Klonieren – das identische Vervielfachen eines Individuums – ist recht unproblematisch dank der noch ziemlich ausgeprägten Totipotenz pflanzlicher Zellen (dem Umstand, daß sie zumeist in ihrer Differenzierung noch nicht festgelegt sind). Jeder Zimmergärtner nutzt diese Eigenschaft, wenn er abgeknipste Triebspitzen im Wasser wieder Wurzeln ziehen läßt.

Eine solche Regenerationsfähigkeit ist sehr bedeutsam, weil identische Organismen hervorgebracht werden und, anders als bei der sexuellen Vermehrung, keine genetische Variabilität auftritt.

Für den Wissenschaftler entscheidend ist, daß man Einzelpflanzen oder Teile von ihnen schnell vermehren kann und daß sich selbst aus Einzelzellen nach einer molekularen Genübertragung, der Transformation, reproduzierbare transgene Pflanzen heranziehen lassen; er verwendet dafür meist Protoplasten, also Zellen, denen man für die Transformation die hinderliche Zellwand entfernt hat. Ferner erlauben es Haploide – Pflanzen mit dem einfachen, nicht dem üblichen mindestens zweifachen Chromosomensatz höherer Organismen – den Einsatz effizienter mikrobiologischer Techniken wie bei der Genmanipulation von Bakterien. Schließlich treten keine ethischen Probleme auf, wenn ungeeignete Individuen während der Selektion verworfen werden. Damit ist die Pflanze in einzigartiger Weise Forschungsobjekt und Zielorganismus zugleich.

Der österreichische Augustinermönch Gregor Mendel (1822 bis 1884) legte den Grundstein für die wissenschaftliche Genetik; er erkannte die Kombinatorik von Erbfaktoren und formulierte die nach ihm benannten Regeln. Im Jahre 1943 bewies dann der Bakteriologe Oswald Avery (1877 bis 1955) vom Rockefeller-Institut in New York schlüssig, daß DNA-Moleküle (und nicht, wie bis dahin angenommen, Proteine) die Basis der genetischen Information sind; er begründete damit die Molekulargenetik. In der Botanik entwickelten sich allerdings beide Felder nahezu 30 Jahre lang nebeneinander her, ohne sich entscheidend zu berühren. Selbst der Beginn der Genomik vollzog sich von den Pflanzenzüchtern wenig beachtet.


Was ist heute machbar?

Inzwischen ist die Brücke zwischen Molekularbiologie und Züchtung geschlagen, und zur pflanzlichen Produktion bedient man sich des Gentransfers und der markergestützten Selektion (Bild 1). Mittels Gentransfers werden bereits gute Sorten gezielt mit einer zusätzlichen Eigenschaft ausgestattet; mittels markergestützter Selektion, auf die ich später noch eingehen werde, lassen sich nach einer klassischen Kreuzung in riesigen Populationen die erwünschten, aber in der Regel extrem seltenen Kombinationen finden.

Im Jahre 1980 wurde im Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln-Vogelsang die erste transgene Pflanze aus manipulierten Zellen regeneriert. Aus dieser Zeit stammt ein wichtiges gentechnisches Grundpatent, das gleichzeitig eines der sehr wenigen deutschen auf diesem Forschungsgebiet ist: der Einsatz von Agrobacterium als Vehikel (Vektor) für die Genübertragung. Mittlerweile sind weltweit, wie eine aktuelle Studie des Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung ergab, 28 gentechnisch veränderte Sorten von Baumwolle, Chicorée, Kartoffel, Kürbis, Mais, Papaya, Raps, Soja, Tabak und Tomate landwirtschaftlich zugelassen.

Bereits vor zwei Jahren durften amerikanische Farmer 21 solche Sorten von sieben Kulturpflanzen anbauen (Bild 2); im vergangenen Jahr hatten sie damit rund zwei Millionen Hektar bestellt. Ihre deutschen Kollegen haben hingegen noch keinen Zugriff auf transgenes Saatgut. Zwar wurden in der Bundesrepublik transgene Varianten von Kartoffeln, Mais und Raps sowie zum dritten Mal solche von Zuckerrüben im Freiland geerntet, aber dies geschah lediglich im Experimentierstadium.

Die Rüben sind nach der Transformation mit einem Gen für ein virales Hüllprotein resistent gegen die Wurzelbärtigkeit (Rhizomania) – eine Verbesserung, die gesichert meßbar ist: Die Zuckerausbeute liegt bei 100, die der herkömmlichen Rüben auf dem mit Wurzelbärtigkeit befallenen Feld lediglich bei 70 Prozent. Der Zucker selbst ist produktidentisch mit demjenigen nicht veränderter Rüben.

Aufgrund dieser Ergebnisse sollte die bei der ersten Rüben-Aussaat begonnene Diskussion, in der vielfach unbegründete Ängste geäußert wurden, eigentlich beendet sein. Tatsächlich sind 1996 von den 33 Versuchspflanzen gentechnisch veränderter Sorten in Deutschland mehr als die Hälfte teilweise oder gänzlich zerstört worden.

Unterdes wird die Wettbewerbssituation bedrohlich: Große Bereiche der Gentechnik sind mit internationalen Patenten belegt, die dem späteren Anwender zumindest Lizenzen abverlangen, wenn er sich dadurch von der Nutzung nicht doch abhalten läßt. Werden also die mittelständischen deutschen Züchter von der Genomik überhaupt etwas haben, oder liegen alle Trümpfe bei amerikanischen oder multinationalen Großfirmen?

Was ist zu tun?

Entscheidend wird dabei auch sein, welche Ziele man sich setzt. So ist in der ersten Phase der Gentechnik bei Pflanzen sicherlich die Herbizidtoleranz überbewertet worden. Wichtiger wäre es, Pilzresistenzen in Kulturpflanzen einzubauen; dieser Idee steht die amerikanische Pflanzenschutzmittel-Industrie noch ferner als die europäische. Nur durch Beteiligung aber können die Züchter den Trend der Entwicklung beeinflussen. Folglich sollte nicht mehr über das Ob, sondern über das Wie und Was der Genomik für den Ackerbau diskutiert werden.

Primär muß Deutschland stärkere gesicherte gentechnische Kompetenz erlangen, etwa dadurch, daß erhöhte Forschungsanstrengungen neue Grundpatente sichern. Zusätzlich könnten auch neuentwickelte Spezialpatente Zugang zu wichtigen anderen Sektoren durch Tausch und Sharing verschaffen.

Hilfreich dürfte dabei sein, daß der Gentransfer die Verfügbarkeit übertragbarer Gene voraussetzt. Wurden bei den ersten Versuchen in Deutschland Modell- und Markergene genutzt, so waren es in einer zweiten Phase vor allem Resistenzgene. Es folgte der Einsatz von Genen, mit denen sich leichter Hybriden erstellen lassen; jetzt sind solche für die Produktion spezieller Stoffwechselprodukte aktuell.

Was mit der Farbgebung bei Zierpflanzen begann, gelingt nun zum Beispiel bei Raps mit Ölsäuren, die für Nahrungs- oder Industriezwecke optimiert sind (Bild 3). Viel verspricht man sich auch von biologisch abbaubaren Kunststoffen etwa aus Polyhydroxybuttersäure sowie von diätischen und pharmazeutisch wichtigen Substanzen wie in einer Futterpflanze synthetisierten Impfstoffen. Durch Genklonierung, das Optimieren von Techniken zur Sequenzierung sehr großer DNA-Abschnitte und die Analyse der spezifischen Funktion bestimmter Gene dürfte es schließlich auch möglich werden, einzelne Stoffwechselprozesse von Pflanzen gezielt umzusteuern. Mit entsprechendem Einsatz könnte auf diese Weise der Rückstand gegenüber anderen Ländern verringert werden.


Größere Aufgaben

Außer den punktuell, also von einem einzelnen Gen bestimmten Eigenschaften werden Merkmalskomplexe, die durch das Zusammenwirken mehrerer Gene gesteuert und quantitativ ausgeprägt werden, immer bedeutsamer. Mit diesen QTLs (quantitative trait loci) tut man sich aber noch schwer. Bislang gibt es nämlich keine Methode, gleichzeitig viele bestimmte Gene zu übertragen; vielmehr müssen einzelne, die zu dem Merkmal beisteuern, analysiert und sukzessive zusammengeführt werden. Diese Pyramidisierung wird zwar durch klassische Züchtung schon bei vielen Feldfruchtarten betrieben, ist jetzt aber effizienter mit molekularen Markern möglich.


Markergestützte Selektion

Welche der interessierenden natürlichen Versionen eines Gens in einer Pflanze enthalten sind, kann man ihr oft nicht von außen ansehen. Aufwendige Anbauversuche müssen dies dann zeigen. Anhand von molekularen Markern lassen sich aber einzelne Allele – so die Fachbezeichnung der Genversionen – nebeneinander erkennen. Zwei verschiedene Allele eines Gens können sich beispielsweise in den Spaltstellen unterscheiden, an denen Schneidenzyme den DNA-Strang durchtrennen; die charakteristische Größe der erzeugten DNA-Fragmente zeigt dann an, welches Allel bei einer Pflanze vorhanden ist. Der Züchter weiß damit sofort, welche Pflanzenexemplare es wert sind, daß er mit ihnen weiterarbeitet.

Die deutsche Forschung hat in der Genom- und Gendiagnose – Voraussetzung für die markergestützte Selektion – keinen schlechten Stand. Einzelne Pflanzen werden jeweils an Instituten einer Universität molekular bearbeitet, so in Köln die Kartoffel, in Kiel die Zuckerrübe, in Göttingen der Raps, in Hohenheim der Mais sowie in München Gerste und Weizen. Genkarten und ein großes Sortiment von Gensonden sind konkurrenzfähig entwickelt. Bild 4 gibt beispielhaft einen Überblick über kartierte Gerstengene. In einer DNA-Sondenbank liegen 1300 Sonden für das Gersten-Genom und rund 300 weitere für andere Getreide mit den entsprechenden Kenndaten, einer Art Personalausweis, vor. Mit solchen Sonden kann eine praktische Nutzung sofort einsetzen.

Die Marker-Entwicklung muß allerdings durch weitere Forschung untermauert werden, wobei Schwerpunkte bei der QTL-Entwicklung und dem Aufbau eines Datennetzes zu setzen sind. Wesentliche Ziele sind, die Nährstoffaufnahme, den Wasserverbrauch und die Photosyntheseleistung von Pflanzen zu optimieren. Physiologische Grundlagenforschung, Züchtung und Ertragsanbau werden so direkt verknüpft.

Genomik und Biodiversität

Die Züchtung von Hochleistungs- aus Landsorten hat der Landwirtschaft eine enorme Ertragssteigerung ermöglicht, allerdings auch die Vielfalt im Erscheinungsbild der Kulturpflanzen eingeschränkt. Mit DNA-Sonden gelingt es jetzt aber, die Veränderungen auf der genetischen Ebene zu analysieren.

An der Gerste zeigt sich exemplarisch, daß die Kulturformen erwartungsgemäß in viel höherem Maße uniform sind als die Wildformen. Projiziert man jedoch in die genetischen Distanzen zwischen Kultursorten jene der Landsorten, so verteilen sich deren Genome ziemlich gleichmäßig über den gesamten Bereich (Bild 5). Man hat folglich durch die Züchtung der letzten Jahrzehnte den Genpool der Gerste, also den Gesamtbestand an Erbeigenschaften dieser Spezies, nicht eingeengt; der Vorwurf der Gen-Erosion wird mithin oft voreilig erhoben.

Noch aufregender sind die Ergebnisse von Analysen der Genverteilung in einzelnen Nachkommen-Populationen aus Kreuzungen. Wir finden überraschenderweise eine neue Diversität. Kreuzungen bedeuten, daß väterliche und mütterliche Gene in anderer Mischung an die Nachkommenschaft weitergegeben werden; tatsächlich haben wir aber auch vorher nicht vorhandene DNA-Sequenzen gefunden. Kreuzungen beschleunigen somit auf irgendeine Weise die natürliche Evolution einer Pflanzenart. Die Gefahr, daß wichtige Gene verlorengehen, ist aufgrund dieser Ergebnisse als gering anzusehen; die durch Züchtung beschleunigte Evolution kann möglicherweise sogar alte Lücken schließen.

Das Beispiel der Gerste bezieht sich dem Forschungsstand entsprechend auf monogene Eigenschaften. Ich möchte behaupten, daß diese Effekte in noch größerem Ausmaß auch bei quantitativ vererbten Eigenschaften auftreten. Damit wird ein neues Zuchtziel realisierbar: die Biodiversität in der Sorte zu erhöhen.

Das größte Risiko der pflanzlichen Genomik in Deutschland liegt meines Erachtens heute darin, daß sie nicht genutzt wird. Die weit verbreitete Ablehnung transgener Lebensmittel dämpft das wirtschaftliche Engagement bei aktuellen Methoden der Pflanzenzüchtung; die Industrie investiert statt dessen in die kompliziertere, aber leichter akzeptierte Humangenomik.

Es ist zu befürchten, daß deutsche Firmen die Entwickung molekularbiologischer und gentechnischer Methoden in der Botanik der Konkurrenz im Ausland überlassen, daß demzufolge kein Bedarf an Forschung und Forschern besteht und die Ausbildungskette reißt. Schon jetzt ist es außerordentlich schwierig, für Projekte der pflanzlichen Genomik Partnerunternehmen zu finden, die bereit sind, Forschungsanträge zu stellen.

Es wäre bedauerlich, wenn man bei uns auch im kommenden Jahrhundert die enorme Bedeutung der Biologie verkennte, die gerade mit großen Sprüngen die bisherige Vorreiterrolle von Physik und Chemie in den Naturwissenschaften übernimmt, wenn also die Richtung der Entwicklungen nicht mehr von der gegenwärtig noch erfolgreichen, den Belangen unseres Landes optimal angepaßten deutschen Pflanzenzüchtung mitgelenkt würde.

Wenn wir aber auch nur einige der aufgezeigten Defizite abbauen, wird die Genomik einen effizienten Ausgleich von ökologischen und ökonomischen Interessen in der Landwirtschaft schaffen können. Der Einsatz der neuen molekularbiologischen und gentechnischen Werkzeuge erlaubt es, die umweltrelevanten Forderungen an die landwirtschaftliche Produktion zu erfüllen.

Halten wir uns aus der pflanzlichen Genomik heraus, bedeutet dies Stillstand. Wer stehenbleibt, wird überholt; und wer gar rückwärts geht, verspielt die Zukunft. Es ist an der Zeit, daß in einer aufgeschlossenen Forschungslandschaft das Feld mit modernster Genomik beackert wird.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1997, Seite 30
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
7 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 7 / 1997

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