Gentechnik: Blühende Landwirtschaft durch Präzisionszucht: Wer profitiert davon?

Die wachsende Weltbevölkerung muss ernährt werden, aber der Klimawandel wirkt sich bereits auf die landwirtschaftliche Produktion aus. Pflanzensorten müssen in Zukunft widerstandsfähiger gegen physikalische und biologische Bedrohungen sein. Außerdem müssen sie die Energie und die Nährstoffe, die sie erhalten, effizienter in Nahrung umwandeln, und in diesem Bereich gibt es viel Raum für Innovationen. Die Gentechnik hat eine Handvoll Eigenschaften bei einer kleinen Anzahl von Nutzpflanzen verbessert – selbst wenn diese in großem Maßstab angebaut werden. Aber es muss noch mehr getan werden. Dank der Präzision und Flexibilität des »gene editing« ziehlt die Pflanzenbiotechnologie nun auf eine viel größere Vielfalt wichtiger Nahrungspflanzen und eine viel breitere Palette genetischer Merkmale ab.
Die Präzisionszüchtung mit biotechnologischen Werkzeugen zur Verbesserung von Nutzpflanzen ist hinter den Entwicklungen in der Präzisionsmedizin zurückgeblieben. Heute ist nur eine Handvoll gentechnisch veränderter Pflanzen im Handel erhältlich. Eine hochwertige Weizengenomsequenz ist erst seit 2018 verfügbar, sagt Catherine Feuillet, wissenschaftliche Leiterin bei Inari Agriculture, die während ihrer akademischen Laufbahn Mitbegründerin des »International Wheat Genome Sequencing Consortium« war. Für die Züchter und Züchterinnen ist es nur dank des Wissens, das in jüngster Zeit durch genomische Daten und computergestützte Werkzeuge generiert wurde, möglich geworden zu wissen, welche Gene wie zu verändern sind. »Pflanzenzüchtung sollte keine Kunst sein – sie muss eine Wissenschaft sein«, sagt Feuillet. Das Unternehmen Inari hat seit seiner Gründung im Jahr 2016 mehr als 575 Millionen US-Dollar an Eigenkapital aufgebracht, um ertragreiche Weizen-, Mais- und Sojasorten zu entwickeln, und steht nun kurz vor der Markteinführung seines ersten kommerziellen Produkts. »Wir suchen nach Merkmalen, die die Pflanzenarchitektur verändern, um den Ertrag zu steigern«, sagt Feuillet. Zu den Technologien des Unternehmens gehört ein auf CRISPR basierendes epigenetisches Programmierwerkzeug, das die Expression von Zielgenen aktivieren kann und von Steve Jacobsen, einem Mitbegründer der University of California, Los Angeles, entwickelt wurde.
Das Unternehmen Pairwise hat »Base Editing« (eine Methode bei der gezielt nur ein Basenpaar der DNA verändert wird) bei Mais eingesetzt, um die Anzahl der Reihen von Körnern in den Ähren der reifen Pflanze zu verändern. Laut Tom Adams, CEO und Mitbegründer von Pairwise, sind 16 Reihen der Standard, aber Pflanzen mit 18 bis 20 Reihen scheinen einen 10 % höheren Ertrag zu haben, obwohl dies noch nicht vollständig bestätigt ist. »Wir befinden uns noch in der Anfangsphase der Feldversuche.« Das Unternehmen untersucht auch, ob es möglich ist, den gleichen Weg in Brombeeren zu optimieren, um die Anzahl der Steinfrüchte – die einzelnen perlenartigen Bestandteile jeder Beere – zu erhöhen. Das Unternehmen erhielt die Lizenz für die Base-Editing-Technologie durch seinen Mitbegründer David Liu vom Broad Institute des MIT und Harvard. Das Unternehmen hat auch das Nuklease-Enzym Cas12 verwendet, das ebenfalls von Liu lizenziert wurde, um »das Patentwirrwarr um Cas9 zu vermeiden«, so Adams. Anfangs konzentrierte sich das Unternehmen auf eine Allianz mit Bayer in Leverkusen, Deutschland, um Mais, Sojabohnen, Raps, Weizen und Baumwolle zu genetisch zu verändern. »Wir haben Hunderte von verschiedenen Genen in diesen Pflanzen bearbeitet.« Das Ergebnis waren 27 neue Eigenschaften, die Bayer nun weiter erforscht. Eine zweite Allianz zwischen den beiden Unternehmen befasst sich mit niedrig wachsendem Mais: Sie wollen Pflanzen entwickeln, die 30-40 % kürzer sind, aber die gleiche Anzahl von Ähren produzieren. Sie wären nicht nur widerstandsfähiger gegen starke Winde, sondern würden auch einen besseren Zugang für Maschinen ermöglichen, mehr Flexibilität bei der Ausbringung von Düngemitteln und anderen Betriebsmitteln bieten und das energieintensive und umweltschädliche Sprühen von Pflanzen vom Flugzeug aus überflüssig machen.
Bananen sind eine weitere Kulturpflanze, bei der die Genmanipulation bald für Furore sorgen wird. Im ersten Quartal 2025 will »Tropic Biosciences« die erste kommerziell angebaute gentechnisch veränderte Banane auf den Markt bringen, die nicht braun werden soll. Das in Norwich, Großbritannien, ansässige Biotech-Unternehmen hat die Sorte entwickelt, indem es das Ablesen von zwei Genen ausgeschaltet hat, die jeweils für ein Polyphenoloxidase-Enzym kodieren. Diese werden im essbaren, fleischigen Teil der Frucht als Reaktion auf physische Quetschungen hochreguliert. Abgesehen von dieser Besonderheit ist die gentechnisch veränderte Banane in jeder anderen Hinsicht identisch mit der weltweit verbreiteten Sorte für den Massenmarkt, sagt Eyal Maori, Mitbegründer und wissenschaftlicher Leiter des Unternehmens. Der Geschmack beispielsweise wird bei der gentechnisch veränderten Banane nicht beeinträchtigt, im Gegensatz zu Hybriden, die durch konventionelle Züchtung entwickelt wurden. Die neue Sorte soll nach der Ernte Verluste verringern, die Haltbarkeit der Bananen verlängern und neue Geschäftsmöglichkeiten auf dem Markt für frisch zubereitete Obstsalate eröffnen.
Die bevorstehende Einführung einer gentechnisch veränderten Bananensorte ist bemerkenswert, da die genetische Vielfalt bei Bananen äußerst gering ist. Die kommerziell angebauten Sorten stammen von sterilen, mutierten Verwandten der ungenießbaren Wildbananen ab. Die Bananenindustrie hat sich bekanntlich 70 Jahre lang stark auf eine einzige Sorte, die Cavendish, verlassen, weil eine Pilzinfektion, die Fusarium-Welke, die Vorgängersorte in den 1950er Jahren auslöschte. Denn große Monokulturen sind anfällig für Krankheiten.
»Tropic« hat seine »GEiGS-Plattform« entwickelt, die CRISPR-Cas9-Gene Editing mit RNA-Interferenz (RNAi) kombiniert, um die Resistenz der Pflanzen gegen Krankheitserreger oder andere nützliche Eigenschaften zu verbessern. Dazu werden DNA-Sequenzen, die für »small interfering RNA« (kleine interferierende RNA-Moleküle) kodieren, ins Visier genommen und ihre RNAi-Aktivitäten auf neue genetische Ziele umgelenkt. »Wir haben in gewisser Weise die Banane entschlüsselt«, sagt Maori. Um geeignete Zielgene zu identifizieren, hat das Unternehmen einen firmeneigenen RNA-Expressionsatlas entwickelt, der Profile der Genexpressionsmuster in verschiedenen Pflanzengeweben erstellt. Bananen sind triploid (sie haben drei komplette Kopien der gesamten DNA) und kodieren insgesamt neun bräunende Polyphenoloxidasen. Hätte man alle von ihnen ins Visier genommen, so Maori, hätte man eine transgene Sorte entwickeln müssen, die einen viel höheren regulatorischen Aufwand und eine viel geringere Akzeptanz bei den Verbrauchern mit sich bringen würde als die bearbeitete Sorte. Sie ist die erste in einer Pipeline, die auch Reis- und Kaffeesorten umfasst.
Das in Paris ansässige Unternehmen »Meiogenix« nutzt ebenfalls die CRISPR-vermittelte Erkennung von DNA-Sequenzen, um die genetische Vielfalt bei Pflanzen zu verbessern, wenn auch in einem früheren Stadium. Ziel des Unternehmens ist es, mit CRISPR programmierte Chromosomenveränderungen in Nutzpflanzen einzuführen, um die homologe Rekombination in Regionen des Genoms zu fördern, in denen sie normalerweise nicht stattfindet, und zwar auf gezielte Weise. Die homologe Rekombination, ein zufälliger Prozess, der während der Meiose stattfindet, ist für die sexuelle Fortpflanzung aller Eukaryonten unverzichtbar – sie ist das Mittel, mit dem eine Art die genetische Vielfalt aufrechterhält. Bei Pflanzen ist sie jedoch im Allgemeinen auf die Enden der Chromosomen beschränkt, sagt Gaganpreet Sidhu, Chief Technology Officer von »Meiogenix«. Um den Prozess zu steuern und ihn auf andere Genomregionen ausrichten zu können, hat das Unternehmen ein katalytisch totes Cas9-Enzym mit Spo11 fusioniert, dem Protein, das für die Einleitung der homologen Rekombination während der Meiose verantwortlich ist. »Wir machen einfach das, was die Natur macht, nur an einer anderen Stelle«, sagt sie. Der Ansatz führt keine Mutationen oder externe DNA ein..
Die Technologie verspricht, neue Züchtungsmöglichkeiten zu eröffnen, indem sie den gezielten Transfer großer Genomregionen ermöglicht, die mit komplexen Merkmalen verbunden sind. Aufgrund der Präzision der CRISPR-gestützten Erkennung vermeidet der Ansatz zudem den »Linkage Drag«, ein häufiges Problem in der konventionellen Züchtung, bei dem neben den gewünschten Merkmalen auch schädliche Gene eingeführt werden. Dies erfordert in der Regel mühsame und zeitaufwändige Rückkreuzungen, um die unerwünschten Gene zu eliminieren.
Der wissenschaftliche Gründer von »Meiogenix«, Alain Nicolas, und seine Kollegen haben das Chromosomen-Editing-System vor sieben Jahren in Hefe eingeführt. Seitdem arbeitet das Unternehmen daran, das Prinzip in Pflanzen zu erproben und seine Effizienz zu verbessern. Kürzlich schloss »Meiogenix« eine Zusammenarbeit mit Bayer ab, bei der festgestellt wurde, dass das System in Mais, in Tomaten und Reis funktioniert. Das Unternehmen plant nun, das System in anderen kommerziell wichtigen Kulturen zu testen. Eine Zusammenarbeit mit einem Partner zur Entwicklung einer krankheitsresistenten Tomatensorte ist bereits im Gange. »Das ist ein Problem, das wir lösen wollen«, sagt Sidhu.
Resistenz gegen Trockenheit und Hitzestress ist notwendig, um die verheerenden Auswirkungen zu vermeiden, die in den kommenden Jahrzehnten auf die Kulturpflanzen zukommen werden. Obwohl beide Phänomene auf dem Feld in der Regel zusammen auftreten, bevorzugten die Geldgeber in der Vergangenheit die isolierte Untersuchung beider Phänomene, sagt Ron Mittler vom Christopher S. Bond Life Sciences Center der University of Missouri. Der Klimawandel hat jedoch zu einem Umdenken geführt, und die Studien von Mittler zu den kombinierten Stressfaktoren beginnen Früchte zu tragen. Vor einigen Jahren entdeckte seine Gruppe eine Anpassungsstrategie bei Sojabohnen, die Hitze und Trockenheit ausgesetzt sind. Um Wasser zu sparen und dennoch die Fortpflanzung zu ermöglichen, öffnen sich die Spaltöffnungen – die Pflanzenporen, die die Verdunstung kontrollieren – nur in den Blüten, während sie in den vegetativen Teilen der Pflanze geschlossen bleiben. Dadurch wird die Innentemperatur der Blüten um 2 bis 3 °C gesenkt und der Fortpflanzungsprozess geschützt, was für die Züchter, die Samen (oder Bohnen) ernten wollen, von großer Bedeutung ist. »Die Biomasse ist bei Sojabohnen nicht so entscheidend«, sagt Mittler. »Was entscheidend ist, ist der Ertrag.« Die Gruppe um Mittler hat auch festgestellt, dass das Pflanzenhormon Abscisinsäure das Schließen der Spaltöffnungen auslöst. Die Abscisinsäure-Signalwege werden im Fortpflanzungsgewebe natürlich hochreguliert und könnten weiter optimiert werden, um zusätzlichen Schutz vor Trockenheit und Hitzestress zu bieten. Mittler und seine Mitarbeiter planen Feldversuche mit derartig veränderten Sojabohnen, um festzustellen, ob sie ihre Erträge unter stressigen Bedingungen besser aufrechterhalten können.
Pflanzen sind nicht die einzigen Ziele für Eingriffe zur nachhaltigen Verbesserung der Ernteerträge. Bakterien bieten Möglichkeiten, die Bodenfruchtbarkeit zu steigern und den Einsatz synthetischer Düngemittel zu verringern. Stickstoffdünger und stickstoffhaltiger Dung sind durch die Freisetzung von Kohlendioxid, Lachgas und Methan während ihrer Herstellung und Verwendung in der Landwirtschaft für schätzungsweise 5 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich. Der Prozess ist von Natur aus verschwenderisch – weniger als die Hälfte des ausgebrachten Stickstoffs wird von den Nutzpflanzen aufgenommen. Der Rest geht verloren, entweder in die Atmosphäre oder in Form von verschmutzenden landwirtschaftlichen Abwässern, die Süßwasser- und Meeresökosysteme schädigen. Die Nutzung der bakteriellen Stickstofffixierung, bei der Luftstickstoff in Ammoniak umgewandelt wird, gilt seit langem als eine mögliche Lösung. Bereits in den 1970er Jahren sprachen sich einige Wissenschaftler dafür aus, die bakteriellen nif-Gene, die an der Stickstofffixierung beteiligt sind, in wichtige Getreidearten wie Weizen, Reis und Mais einzubringen. Moderne Gene-Editing-Ansätze konzentrieren sich stattdessen auf im Boden lebende stickstofffixierende Bakterien, die reichlich vorhanden sind. Einige bilden Knöllchen an den Wurzeln von Leguminosen (Hülsenfrüchtlern) und leben in Symbiose mit ihren Wirten. Aber auch viele freilebende Bakterien sind in der Lage, Stickstoff zu fixieren.
In der Landwirtschaft hemmt das Vorhandensein von exogen aufgebrachtem Nitratdünger die Expression des nif-Gens. «Pivot Bio» hat jedoch einen Klebsiella variicola-Stamm entwickelt, der unabhängig von der externen Nitratkonzentration Stickstoff fixieren kann. Das Unternehmen ersetzte das nifL-Gen, das für das inhibitorische Protein NifL kodiert, durch einen endogenen Promotor, der die konstitutive Expression von nifA bewirkt. Sein Genprodukt, NifA, aktiviert die Expression der anderen nif-Gene. Der Bakterienstamm Kv137-2253 wird im Handel für die Verwendung mit Weizen, Sorghumhirse, Gerste, Hafer und Sonnenblumen angeboten. Für Mais hat »Pivot« Kv137-2253 mit einem zweiten Organismus, dem Kosakonia sacchari-Stamm Ks6-5687, kombiniert, dessen nif-Gene ebenfalls für die konstitutive Expression verändert wurden. Derzeit können diese Produkte – die entweder bei der Aussaat gespritzt oder als Beschichtung auf das Saatgut aufgebracht werden – etwa ein Viertel des Stickstoffbedarfs der Pflanzen decken. »Das spiegelt die Effizienz wider, die wir in diesem System erreichen konnten«, sagt Karsten Temme, Mitbegründer und Leiter der Innovationsabteilung bei »Pivot«. Das Unternehmen will dies noch verbessern, indem es die Stickstofffixierung in Gegenwart von Nitrat weiter steigert und die Menge an Ammoniak, die die Bakterien in den Boden exportieren, erhöht. Die Bakterien von »Pivot« werden derzeit in Verbindung mit etwa 5 % der US-Maisproduktion eingesetzt. »Die Wirkung ist bereits enorm«, sagt Temme. Das Unternehmen bereitet sich nun darauf vor, die Technologie nach Brasilien zu exportieren und beginnt außerdem mit Tests in Kenia.
Biotechnologische Innovationen zielen auch auf die schädlichen Umweltauswirkungen von Insektiziden ab. »Solasta Bio« gehört zu einer Reihe von Unternehmen, die Präzisionsinsektizide mit pharmazeutisch ähnlicher Selektivität für ihre Zielorganismen entwickeln – im Gegensatz zu den Breitspektrum-Wirkstoffen, die den Pflanzenschutzsektor bisher dominiert haben. Das Unternehmen mit Sitz in Glasgow, Großbritannien, entwickelt aus Insekten gewonnene Peptide, die das Verhalten des Organismus verändern. »Es handelt sich um sehr kleine Peptide, die auf den so genannten Neuropeptiden der Insekten basieren«, erklärt CEO und Gründerin Shireen Davies. Bisher wurden etwa 55 solcher Peptidfamilien identifiziert. Sie weisen sowohl innerhalb als auch zwischen den Familien eine große Vielfalt auf. »Wir identifizieren und entwerfen die Peptide auf rationale Weise für die gewünschten Ziele«, erklärt sie. Dies ermöglicht eine präzise Ausrichtung auf den entsprechenden Rezeptor des Peptids, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, ohne dabei nützliche Insekten, wie z. B. Bestäuber, zu beeinträchtigen. »Wir prädisponieren das Insekt so, dass es dem Umweltstress weniger gut standhalten kann«, erklärt sie. Der Hauptwirkstoff befindet sich in der Entwicklung für Blattläuse, die für Landwirte, die grünes Blattgemüse anbauen, ein besonderes Problem darstellen. »Wir bemühen uns um die Genehmigung der ›Environmental Protection Agency‹. «, sagt sie. Das könnte bis 2027 geschehen. Weiter hinten in der Pipeline befinden sich Wirkstoffe gegen die Drosophila suzukii (Fruchtfliege), gegen Schmetterlinge sowie gegen Pflanzen- und Laubheuschrecken in der Entwicklung.
Gene Editing und andere Formen der biologischen Innovation sind natürlich nicht die einzigen Faktoren, die darüber entscheiden, ob die Landwirtschaft widerstandsfähiger und ökologisch nachhaltiger werden kann. Der Beitrag von Agrarwissenschaftlern- und Wissenschaftlerinnen ist wichtig, um Innovationen in die Praxis umzusetzen, sagt Charles Spillane, Professor für Pflanzenwissenschaften an der Universität von Galway in Irland. In Teilen Afrikas südlich der Sahara und anderen Regionen, in denen die Nahrungsmittelproduktion bereits unter starkem Druck steht, »kann diese Art von Fachwissen nur spärlich vorhanden sein«. »Die Herausforderungen sind für die zwei Milliarden Menschen, die auf Regenfeldbau angewiesen sind, am größten, insbesondere in den sich ausbreitenden Trockengebieten«, erklärt er.

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