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Transgener resistenter Reis

Erstmals ist es durch Eingriff in die Erbsubstanz statt auf züchterischem Wege gelungen, diese wichtige Getreidepflanze gegen eine bakterielle Infektion widerstandsfähig zu machen, die erhebliche Ernteeinbußen verursacht.

Unter den Kulturpflanzen der Welt nimmt Reis eine Spitzenstellung ein: Er ist Grundnahrung für fast zwei Milliarden Menschen, ein Drittel der Weltbevölkerung. Auf über 145 Millionen Hektar Anbaufläche werden 560 Millionen Tonnen jährlich geerntet.
Der Ertrag wäre allerdings viel höher, fiele nicht ein oft erheblicher Teil Insekten, Pilzen, Bakterien und Viren zum Opfer, wobei eine der gefürchtetsten Erkrankungen die sogenannte bacterial blight ist. Im Deutschen existiert für sie kein scharfer Begriff; man könnte sie als Weißblättrigkeit oder Bakterienwolke bezeichnen. Verursacht wird sie durch das Bakterium Xanthomonas oryzae pathovar oryzae – kurz Xoo –, das in weiten Teilen Asiens und Afrikas vorkommt. Mit herabfallenden oder aufspritzenden Wassertröpfchen breitet es sich rasch von einer Pflanze auf die andere und von einem Feld auf das nächste aus (Bild 1). Infizierte Blätter entwickeln binnen weniger Tage auffällige Gewebeschädigungen (Läsionen), vergilben und welken; auf stark befallenen Feldern kann dies den Ertrag halbieren.
Grundsätzlich besitzt Reis als Gattung zwar eine erstaunliche Fülle von Resistenzgenen gegen viele Krankheiten, auch gegen die bakteriell bedingte Weißblättrigkeit. Doch dieser genetische Reichtum ist den Bauern nur bedingt von Nutzen, weil keine Sorte über alle verfügt und somit jede für bestimmte Krankheiten anfälliger ist als für andere. Resistenzzüchtung wird bei Reis seit fast hundert Jahren betrieben, indem man günstige Merkmale aus widerstandsfähigen, teils wilden Arten oder Primitivformen in landwirtschaftlich genutzte Sorten einkreuzt. Allerdings ist konventionelle Pflanzenzüchtung ein mühsames und zeitraubendes Unterfangen; oft dauert es zehn Jahre und länger, bis eine neue Sorte mit den erwünschten Eigenschaften entwickelt ist.
Mit gentechnischen Methoden läßt sich das Ganze nun um Jahre abkürzen, weil klonierte Schutzgene direkt in Reispflanzen eingebracht werden können. Aus einer Zuchtlinie haben meine Kollegen und ich vor einiger Zeit erstmals eines gegen verbreitete Formen bakteriell bedingter Weißblättrigkeit isoliert und in eine anfällige Linie überführt. Das Resultat waren die weltweit ersten transgenen krankheitsresistenten Reispflanzen. Nach dieser Methode verbesserte Sorten dürften eine enorme Hilfe für Reisbauern in aller Welt bedeuten.

Natürlicher Widerstand

Die Geschichte beginnt in der Dritten Welt. Im westafrikanischen Mali wächst eine wilde Reisart namens Oryza longistaminata. Nicht sonderlich gut im Geschmack und wenig ertragreich ist sie für den Anbau ohne Bedeutung. Interessanterweise erwies sie sich jedoch bei Tests 1977 in Indien als widerstandsfähig gegen jeden der dabei eingesetzten Xoo-Stämme.
Im Jahr darauf begannen Gurdev S. Khush und seine Mitarbeiter am Internationalen Reisforschungsinstitut (IRRI) in Los Baños auf den Philippinen, diese nützliche Eigenschaft mit klassischen Methoden in eine Kultursorte einzukreuzen. Das Ergebnis von zwölf Jahren intensiver züchterischer Arbeit: eine einzige solche resistente Linie – sowie die Erkenntnis, daß für die gewünschte Eigenschaft ein kurzer Abschnitt, vielleicht nur ein einziges Gen, auf einem bestimmten Chromosom verantwortlich sein muß (Bild 2). Das Gen erhielt das Kürzel Xa21.
Als die Forschergruppe die wissenschaftlichen Früchte ihrer Mühen zu ernten begann, im Jahre 1990, erhielt ich ein Nachpromotionsstipendium der Cornell- Universität in Ithaca (Bundesstaat New York). Mich interessierte der Mechanismus der Weißblättrigkeitsresistenz; so beschloß ich, die Klonierung von Xa21 aus der IRRI-Sorte zu versuchen.
Ein Gen ist ein relativ kurzes Stück DNA (Desoxyribonucleinsäure), das meist für ein Protein codiert. Dessen Wirkung ist häufig für eine erkennbare Eigenschaft seines Trägers verantwortlich und läßt sich oft leicht am Gesamtorganismus untersuchen – nicht so aber ein einzelnes Gen im Kontext aller anderen im Erbgut, im Genom also. Hierzu – wie auch für die gentechnische Übertragung – sind die interessierenden Gene zu isolieren und in handhabbarer Menge zu vervielfältigen.
Im Falle von Xa21 war zunächst seine genaue Lage auf dem Reis-Chromosom zu finden. Der fragliche DNA-Abschnitt mußte in Bakterien eingeschleust und darin vermehrt – kloniert – werden. Dann galt es, die Kopien auf gentechnischem Wege Zellen aus anfälligen Sorten zu übertragen und schließlich zu prüfen, ob die aus der Gewebekultur regenerierten Pflanzen tatsächlich geschützt waren (Bild 3). Als ich mit der Arbeit begann, hatte es noch niemand geschafft, ein Krankheitsresistenzgen aus irgendeiner Pflanze zu klonieren, obwohl man viele solche Erbfaktoren kannte und sie in der herkömmlichen Züchtung auch nutzte. Die Gene waren aber hier schwer zu lokalisieren und nicht ohne weiteres von einem Organismus in den anderen zu bringen (besonders, wenn es sich um eine einkeimblättrige Art handelte).

Einkreisen des Objektes

Ein Gen im Gesamterbgut auszumachen gleicht der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen, wobei man sich diesen bei den meisten Pflanzen auch noch als besonders umfangreich zu denken hat. In einem großen Genom ist die Aufgabe in der Regel schwerer zu lösen als in einem kleinen; große sind auch schwieriger zu manipulieren. Zum Vergleich: Aus dem winzigen Erbgut des Bakteriums Escherichia coli – es umfaßt rund vier Millionen Basenpaare – lassen sich leicht Gene isolieren (Basenpaare fungieren gewissermaßen als Buchstaben des genetischen Textes in der doppelsträngigen DNA). Beim Reis aber sind es immerhin fast hundertmal mehr. Das macht die Suche nach einem einzelnen Gen keineswegs einfach – meine Arbeit an Xa21 sollte denn auch einige Jahre dauern und den Einsatz mehrerer raffinierter Methoden erfordern. Und damit war ich noch gut bedient; andere Arten von Getreide stellen den Forscher vor noch gewichtigere Probleme: Das Genom des Weizens etwa ist fast 3500mal so groß wie das von E. coli – und damit fünfmal so groß wie das des Menschen. Extrem schwierig wird das Klonieren eines Getreide-Gens, ob nun aus Weizen oder Reis, wenn vorher nicht wenigstens etwas über seine Lage oder über seine Basensequenz bekannt ist (ungefähr so, als wolle man das Haus einer Freundin in New York finden, ohne eine Adresse oder eine Beschreibung zu haben).
Im Falle des Reis schien mir 1990 die Zeit dazu reif, denn dank der Pionierarbeiten unter Leitung von Steven D. Tanksley und Susan R. McCouch (ebenfalls an der Cornell-Universität) war soeben eine wichtige Voraussetzung dafür geschaffen worden: eine Art Karte mit Landmarken, anhand derer man das umfängliche Reis-Genom erkunden konnte. Sie gab einen Überblick über die relative Position bestimmter nützlicher Orientierungspunkte auf der DNA der zwölf verschiedenen Reis-Chromosomen; Hunderte solcher Marker waren darauf verzeichnet.
Mehrere Jahre stützten meine Kollegen und ich uns auf diese genetische Karte (erst in Cornell, dann an der Universität von Kalifornien in Davis), um Xa21 einzukreisen. Dazu durchmusterten wir mehr als tausend Reispflanzen darauf, wie oft die bekannten DNA-Marker zusammen mit der Weißblättrigkeitsresistenz auftraten. Solche Kopplungsanalysen sind aufschlußreich, weil im Verlauf der sexuellen Fortpflanzung ein gewisses Maß an Austausch und Neuordnung zwischen den Partner-Chromosomen stattfindet, und je enger zwei Gen-Orte auf einem Chromosom benachbart sind, umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit, daß sie bei einem solchen Vorgang getrennt werden. Je öfter also die gewünschte Eigenschaft zusammen mit einem bestimmten Marker vererbt wurde, desto näher daran mußte das gesuchte Gen liegen.
Gleich der erste, der nach unseren Analysen in ganz enger Nachbarschaft von Xa21 lag, erwies sich als unglaublicher Glücksgriff. An einem Sonntagvormittag im Mai 1994, zwei Jahre nach der Einrichtung meines eigenen Labors in Davis, entdeckte ich, daß die Marker-DNA in ihrer Basensequenz mehreren Krankheitsresistenzgenen ähnelte, die kurz zuvor aus Tabak, Tomate, Lein und einem Kreuzblütler kloniert worden waren. Außer mir war niemand im Labor, und so rief ich meinen alten Freund und Kollegen John Salmeron an der Universität von Kalifornien in Berkeley an und bat ihn, die Sequenz doch einmal eingehender mit der von seinem Tomaten-Resistenzgen zu vergleichen. Die sich bestätigende deutliche Ähnlichkeit zwischen DNA-Abschnitten aus so unterschiedlichen Pflanzenarten elektrisierte uns, und ich war überzeugt, auf einer heißen Spur zu sein.
Das folgende Jahr verbrachten meine Arbeitsgruppe und ich damit, Kandidaten für Xa21 zu klonieren und für die Übertragung auf andere, normalerweise Xoo-anfällige Reispflanzen vorzubereiten. Ausgewählt wurden jeweils DNA-Fragmente des Erbguts, mit denen die als Sonde dienende Marker-DNA hybridisierte. Sofern eines davon das gesuchte intakte Gen enthielt, würden damit erzeugte transgene Pflanzen gegen Weißblättrigkeit resistent sein. Nur zu gern hätten wir diese Nagelprobe gleich selbst gemacht, aber uns fehlte jegliche Erfahrung, Gene in Reiszellen einzubringen, die Zellen also zu transformieren. Das konnte man damals überhaupt nur in ganz wenigen Labors auf der Welt.

Zellen unter Beschuß

Pflanzenzellen nehmen meist nur schlecht fremde DNA auf, und Reis macht da keine Ausnahme. (Die Standard-Genfähre – ein spezielles Bakterium – ließ sich lange Zeit nicht für einkeimblättrige Gewächse wie Getreide verwenden.) Ein Durchbruch war 1987 John C. Sanford von der Cornell-Universität gelungen. Er hatte eine sogenannte Genkanone entwickelt, mit der mikroskopisch kleine Träger-Projektile in komplette, noch von ihrer Zellwand umhüllte Pflanzenzellen geschossen werden können (siehe "Transgene Nutzpflanzen", Spektrum der Wissenschaft, August 1992, Seite 44). Seine ersten Geräte arbeiteten noch mit Schießpulver und Wolframpartikeln. Neuere Modelle sind heliumbetrieben; als Geschosse dienen DNA-beschichtete Goldpartikel mit einem Durchmesser von weniger als zehn Mikrometern (tausendstel Millimetern).
An Reis wurde diese Technik Ende der achtziger Jahre erprobt. Als unser Xa21-Klon zu testen war, hatten zumindest einige Institute bereits Routine darin, darunter das Internationale Labor für tropische Agrobiotechnologie (ILTAB) mit Sitz in Kalifornien. Dort erklärte man sich auch bereit, uns zu helfen.
Als Zielscheibe dienten Reiszellen der alten, nicht mehr angebauten Sorte Taipei 309; diese läßt sich leicht transformieren und ist zudem anfällig für Xoo. Aus den transformierten Zellen zogen wir 1500 Pflanzen heran; jede trug in allen ihren Zellen ein Stück klonierte DNA. Im Alter von sechs Wochen wurden sie schließlich auf ihre Resistenz gegen Weißblättrigkeit überprüft. Dazu beschnitten wir die Blätter mit einer Schere, die in eine Xoo-Bakteriensuspension getaucht worden war. Zehn Tage später erwiesen sich 50 der 1500 transgenen Pflanzen als hochresistent: Verglichen mit den normalen, anfälligen Reispflanzen war die vergilbte Strecke ihrer Blätter um 75 bis 90 Prozent kürzer (Bild 4). Bei diesen Exemplaren mußte das eingeschleuste DNA-Stück somit ein intaktes, funktionsfähiges Weißblättrigkeits-Resistenzgen enthalten – wir hatten Xa21 tatsächlich kloniert.

Eine Widerstandsbewegung

Wie wir in der Folge zeigten, wird Xa21 auf die nächste, durch Selbstbefruchtung entstandene Generation vererbt; denn die aus den Samen gezogenen Setzlinge erwiesen sich ebenfalls als resistent gegen bakterielle Weißblättrigkeit. Die transgenen Pflanzen wurden mit 31 verschiedenen Xoo-Stämmen aus acht hauptsächlich asiatischen Ländern konfrontiert. Gegen 29 davon zeigten sie sich widerstandsfähig, was genau dem Resistenzprofil der wildwachsenden afrikanischen Spenderart entsprach. In Zusammenarbeit mit dem ILTAB haben wir mittlerweile Xa21 auch mit Erfolg in wirtschaftlich bedeutende Sorten eingeführt: in IR64 und IR72, die in Afrika und Asien auf einer Fläche von über 9 Millionen Hektar angebaut werden, sowie vor kurzem in Ming Hui 63, eine in China weit verbreitete Linie.
Angesichts dieser vielversprechenden Ergebnisse habe ich Xa21 an Dutzende von Wissenschaftlern in Europa, Afrika, Asien und den USA verschickt, damit die Resistenz auch auf regional bedeutsame Reissorten übertragen werden kann. Oft bevorzugen die Bauern Lokalsorten, die an ihre Gegend besonders gut angepaßt sind – etwa weil sie Trockenheit oder Kälte eher ertragen, dort vorkommenden Schädlingen und Krankheiten besser widerstehen oder gedrungener wachsen und damit standfester sind. Die genmanipulierten Versionen sollten mit den Originalen identisch sein – bis auf das eine zusätzliche klonierte Resistenzgen gegen bakteriell bedingte Weißblättrigkeit. Um sicherzustellen, daß die alten guten Eigenschaften erhalten geblieben sind, müssen die aufgerüsteten Sorten dann noch jeweils auf Geschmack, Ertrag und Robustheit überprüft werden. Solche wissenschaftlichen Feldversuche mit transgenem Xa21-Reis sind für die nächsten Jahren in Kalifornien, Asien und Afrika geplant. Wenn diese Linien Lokalsorten nicht nachstehen, wird über staatliche Züchtungsstellen entsprechendes Saatgut an Bauern von Entwicklungsländern ausgegeben. Da die Pflanzen ihr Resistenzgen weitervererben, kann jeder eigenes Saatgut nachziehen.
Verglichen mit konventioneller Züchtung, sind gentechnische Verfahren schnell und flexibel: Innerhalb von Monaten läßt sich ein kloniertes Gen von einer Pflanze auf die andere übertragen. Spender und Empfänger brauchen dazu nicht kreuzbar zu sein; sie können sogar entfernten Arten angehören.

Nutzpflanzen der Zukunft

Mittels klonierter Resistenzgene sollte man daher auf diesem Wege auch Krankheiten vieler weiterer Nutzpflanzen in den Griff bekommen. Zum Beispiel sind praktisch im gesamten Obst- und Ackerbau pathogene Bakterienarten der Gattung Xanthomonas eine Gefahr. In Florida sind 99 Prozent des Zitrusfruchtbestandes anfällig dafür, und um einen Massenbefall zu verhindern, müssen die Pflanzer sorgfältig auf erste Anzeichen achten. Mitte der achtziger Jahre beispielsweise wurden mehr als 20 Millionen Orangenbäume verbrannt, da man den Ausbruch einer Epidemie befürchtete. Allein diese Vernichtungsaktion kostete die nationalen und bundesstaatlichen Stellen über 40 Millionen Dollar, und ein noch höherer Schaden entstand den Hunderten von Pflanzern durch die langfristigen Ernteausfälle. Vielleicht vermag man eines Tages Zitrusbäume und andere hochwertige Obst- oder Gemüsearten zu schützen, indem man ih-nen abgewandelte Weißblättrigkeits-Resistenzgene aus Reis einpflanzt.
Der Anbau krankheitsresistenter Pflanzen allgemein wirft aber auch Probleme auf, zu deren Lösung die Gentechnik ebenfalls beitragen könnte. Erreger können nämlich mutieren und so den Schutz unterlaufen, den ein bestimmtes Gen gegen sie bietet; man muß deshalb ständig weitere brauchbare Erbfaktoren identifizieren und in bestehende Sorten einbringen, sei es mit konventionellen oder nun mit gentechnischen Methoden. Viele Resistenzgene sind zum Glück bereits bekannt und ließen sich auch klonieren. Eine geeignete Kombination davon verliehe möglicherweise einen höheren, schwerer zu unterlaufenden Schutz vor einem bestimmten Pflanzenpathogen – ganz ähnlich wie in der Medizin Kombinationen aus mehreren Antibiotika oder antiviralen Medikamenten zur Bekämpfung von Tuberkelbazillen beziehungsweise AIDS-Viren eingesetzt werden.
Ferner hoffen wir, einzelne Linien mit Resistenzgenen gegen gleich mehrere Pathogene ausstatten zu können. Mancherorts beispielsweise kann man gegen Weißblättrigkeit widerstandsfähige Zuchtlinien nicht anbauen, weil sie gegen andere vorkommende Erreger und Schadorganismen einfach zu anfällig sind. Der gefährlichste Schädling ist die Braunrückige Reiszikade; sie saugt nicht nur Pflanzensaft, sondern überträgt dabei sogar Viren, die Stauchwuchs hervorrufen. Gemeinsam mit Kollegen in China und England versuchen wir derzeit, einige wichtige Reissorten außer gegen Weißblättrigkeit wenigstens auch gegen die Reiszikade zu schützen. Mit weiteren klonierten Resistenzgenen werden die Kombinationsmöglichkeiten dann exponentiell wachsen.
Gentechnisch erzeugte krankheitsresistente Pflanzensorten verheißen auch geschäftliche Erfolge. Noch werden solche von Reis nicht landwirtschaftlich angebaut, aber US-amerikanische Firmen betreiben bereits die Kommerzialisierung anderer transgener Nutzpflanzen. Die erste im Handel erhältliche "Gen-nahrung" war die Flavr-Savr-Tomate des Unternehmens Calgene, die auf längere Haltbarkeit ausgelegt ist (wohl eher als Anti-matsch-Tomate bekannt).
Vor zwei Jahren kamen Sojabohnen auf den Markt, die gegen das Herbizid Roundup resistent sind; man kann also dieses effiziente Mittel gegen Unkräuter verwenden, ohne der Nutzpflanze zu schaden. Auch herbizidresistenter Mais wurde kürzlich in den USA und Kanada für den Verkauf zugelassen. (In der Europäischen Union regelt die Novel-Food-Verordnung das Inverkehrbringen solcher neuartiger Lebensmittel.)
Von derzeit erhältlichen herbizidresistenten Nahrungspflanzen dürfte die Landwirtschaft der Industrieländer am meisten profitieren, denn in der Dritten Welt können sich die Bauern den Einsatz der speziellen, für sie meist zu teuren Unkrautvernichtungsmittel oft nicht leisten. Krankheitsresistentes transgenes Getreide dagegen wird wohl auch in Entwicklungsländern gefragt sein. Zudem mag es auf mehr Akzeptanz stoßen als etwa genmanipulierte Pflanzen, die ihr eigenes Insektenvernichtungsmittel produzieren: Deren verbreiteter Anbau würde, so befürchten Kritiker, schnell resistente Insekten entstehen lassen.
Transgene krankheitsresistente Pflanzen könnten einmal einen deutlichen Effekt auf die Agrarwirtschaft zeitigen – indem sie zu einer effizienteren Landnutzung, weltweit besseren Nahrungsmittelversorgung und umweltverträglicheren Krankheits- und Schädlingsbekämpfung beitragen. Mit den wirtschaftlichen Möglichkeiten solcher Pflanzen ist allerdings auch eine soziale Verantwortung verknüpft. Die Universität von Kalifornien in Davis hat deshalb 1996 einen speziellen Fonds eingerichtet. Finanziert wird er durch Einnahmen aus der Vermarktung genetischen Materials aus der Dritten Welt, das zum Erfolg der universitären Programme beiträgt; für Xa21 beispielsweise hat die Universität ein Patent beantragt. Aus dem Fonds werden Forschungsstipendien an Wissenschaft-ler von Entwicklungsländern vergeben. Mehr noch: Die Bauern dieser armen Regionen können später das Saatgut unserer transgenen Linien zum gleichen Preis erhalten wie das der traditionellen Sorten, von denen sie abstammen. Den Forschern der Universität von Kalifornien, die ihre Erfindungen patentieren lassen und zu marktfähigen Produkten entwickeln, bietet der Fonds einen Weg, zugleich das Engagement der Entwicklungsländer anzuerkennen und weiter zu fördern.
Mit dem Transfer von Krankheitsresistenzen sind die Möglichkeiten der Genmanipulation von Reis und anderen Getreiden längst nicht ausgeschöpft. Mit Sicherheit werden in Zukunft noch viele weitere Gene für andere wünschenswerte Eigenschaften kloniert, darunter vielleicht Kältetoleranz oder Trockenresistenz. Eines Tages dürften sich Züchter und Bauern ihr spezielles Sortiment an Wunschgenen zusammenstellen können – um nicht nur zu säen, sondern fortan auch mehr zu ernten.

Literaturhinweise

– Plant Diseases: Their Biology and Social Impact. Von G. Schuhmann. American Phytopathological Society, 1991.
– Rice, the Essential Harvest. Von P. T. White in: National Geographic, Band 185, Heft 5, Seiten 48 bis 79, Mai 1994.
– Molecular Genetics of Plant Disease Resistance. Von B. J. Staskawicz und anderen in: Science, Band 268, Seiten 661 bis 667, 5. Mai 1995.
– A Receptor Kinase-like Protein Encoded by the Rice Disease Resistance Gene, Xa21. Von Wen-Yuan Song und anderen in: Science, Band 270, Seiten 1804 bis 1806, 15. Dezember 1995.
– Signaling in Plant-Microbe Interactions. Von B. Baker und anderen in: Science, Band 276, Seiten 726 bis 733, 2. Mai 1997


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1998, Seite 72
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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02/2020

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