Weizen

Weizen steht weltweit nach Mais und Reis an dritter Stelle der wichtigsten Getreidearten. Der Flächenverbrauch ist bei Weizen allerdings am größten. Weizen wird auf allen Kontinenten kultiviert. Wichtige Anbauländer sind China, Indien, Russland, USA und Kanada. Verbreitet ist vor allem Weichweizen (Triticum aestivum).

Nach der Ernte wird das Getreide gemahlen und für viele Lebensmitteln verwendet, z.B. für Backwaren, Teigwaren (vor allem Hartweizen Triticum durum) und Weizenbier. Weizen ist Rohstoff für Stärke und Kleie (Ballaststoffe).

Neben der Verwendung als Lebensmittel wird Weizen auch genutzt als

• Futtermittel
• nachwachsender Rohstoff (Stärke) für verschiedene industrielle Produkte, z.B. in der Papierindustrie
• Energiepflanze zur Biokraftstoff- und Wärmeerzeugung.

Die züchterische Bearbeitung von Weizen ist sehr schwierig, da er ursprünglich aus drei Pflanzen entstanden ist und daher drei doppelte Chromosomensätze (hexaploid) besitzt. Das Weizen-Genom ist fünfmal so groß wie das des Menschen.

Beispiele Forschung und Entwicklung (Gentechnik, neue Züchtungsverfahren)

Trockentoleranz. Die Anpassung an Dürre und Wassermangel ist weltweit ein zentrales Ziel in der Weizenzüchtung. Dafür nutzt man sowohl neue molekularbiologische Methoden (v.a. Smart Breeding) als auch die Möglichkeiten der Gentechnik. Allerdings wird Trockentoleranz in der Regel nicht durch einzelne Gene vermittelt, sondern beruht auf komplexen genetischen Netzwerken und Regelkreisen.

• In Argentinien wurde 2022 mit dem kommerziellen Anbau von gentechnisch verändertem, trockentolerantem Weizen begonnen. Es wurde ein Gen (HaHB4) aus Sonnenblume genutzt, um Weizen tolerant gegenüber Hitze und Dürre zu machen. In zahlreichen Freilandversuchen - unter anderem auch in Spanien - wurde der HB4-Weizen erfolgreich getestet. Im Oktober 2020 erteilte das argentinische Landwirtschaftsministerium die Zulassung für den Anbau des HB4-Weizens. Im März 2023 ließ auch Brasilien den HB4-Weizen für den Anbau zu, nachdem dort 2021 bereits der Verkauf von Mehl aus HB4-Weizen genehmigt worden war. Als Lebens- und Futtermittel zugelassen ist der trockentolerante Weizen in den USA, Australien, Neuseeland, Kolumbien, Südafrika, Nigeria und Indonesien.
• Staatlich finanzierte Forschungsprogramme für trockentoleranten Weizen gibt es in mehreren Ländern, etwa in Australien, Ägypten und China. In einigen Ländern wie den USA, Mexiko, Australien oder Argentinien werden derzeit verschiedene gentechnisch veränderte (gv) Weizenlinien getestet, in die Gene aus anderen, an Trockenheit angepassten Organismen eingeführt wurden. So haben z.B. ägyptische Wissenschaftler einen trockentoleranten Weizen gezüchtet, in den sie ein Gen aus Gerste eingeführt haben.

Resistenz gegen verschiedene Pilze, vor allem gegen Infektionen mit Fusarien oder Mehltau.

• Mehltau ist eine weltweit bedeutende Weizenkrankheit. Um die Widerstandsfähigkeit dagegen zu verbessern, führten Wissenschaftler an der ETH Zürich verschiedene Varianten von Resistenzgenen in Weizen ein. Mehrere gv-Weizenlinien werden zurzeit auf einem gesicherten Gelände (Protected Site) in der Nähe von Zürich getestet. - Inzwischen ist es möglich, eine Mehltauresistenz auch mit den neuen Verfahren des Genome Editings wie CRISPR/Cas zu erreichen. Dabei wird ein Schlüsselprotein (MLO) blockiert, das der Mehltau-Pilz zum Eindringen in die Pflanzenzelle benötigt.
• In einem Gemeinschaftsprojekt (PILTON) entwickeln mehrere deutsche Pflanzenzüchter Weizen mit einer besseren Toleranz gegen vier Pilzkrankheiten (Fusarien, Septoria, Braunrost, Gelbrost). Mit Hilfe von CRISPR/Cas wird ein Repressor-Gen blockiert, so dass das pflanzeneigene Abwehrsystem länger aktiv ist.
• Wissenschaftler in Australien haben in Brotweizen fünf Gene eingefügt, die dem Weizen eine Resistenz gegenüber dem Rostpilz Puccinia graminis verleihen. Die Gene wurden miteinander gekoppelt, so dass sie zusammen wie ein einzelnes Gen vererbt werden, was ihren Einsatz in der Züchtung vereinfacht. Die transgenen Weizenpflanzen erwiesen sich in Freilandversuchen sehr resistent gegenüber dem Erreger des Getreiderosts.
• In Deutschland gab es mehrere Freilandversuche mit gv-Weizen, bei denen verschiedene Resistenzkonzepte gegen Fusarien und Stinkbrand getestet werden sollten. Nach wiederholten Zerstörungsaktionen wurden die Versuche aufgegeben.

Toleranz gegenüber Herbiziden. Heute werden zunehmend Genome Editing-Methoden eingesetzt, um Weizensorten zu entwickeln, die tolerant gegenüber verschiedenen Herbiziden sind. So haben zum Beispiel Wissenschaftler der Chinese Academy of Sciences und der Agricultural University mit Base Editing zwei Gene einer kommerziellen Weizensorte so verändert, dass die Pflanzen eine Toleranz gegenüber bestimmten Herbizidwirkstoffen aufwiesen.

Ertragssteigerung. Es werden verschiedene Ansätze verfolgt, um Weizenerträge ohne zusätzlichen Ressourcenverbrauch zu steigern:

• Verbesserung der Fotosynthese
  Wissenschaftler des Rothamsted Research Institutes haben in Zusammenarbeit mit den Universitäten Essex und Lancaster gv-Weizen entwickelt, der Sonnenlicht effizienter in Biomasse umwandeln kann und damit höhere Erträge liefert. Durch Übertragung eines Gens aus dem Süßgras Zwenke produzieren die gv-Weizenpflanzen größere Mengen SBPase, ein Enzym, welches für einen bestimmten Abschnitt der Fotosynthese zuständig ist. Für die Jahre 2017-2019 wurden Freisetzungsversuche genehmigt, um den gv-Weizen unter Feldbedingungen zu testen.
• Höhere Erträge und bessere Futterqualität
  Am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben wurde Weizen mit höherem Ertrag und mehr Protein in den Körnern entwickelt. Die Wissenschaftler führten Gene aus Gerste und Ackerbohne in Weizen ein. Dadurch soll sich der Zuckertransport in die Weizenkörner verbessern. Nachdem ein Freisetzungsversuch 2008 von Gentechnikgegnern zerstört wurde, wurden in Deutschland trotz Genehmigung keine weiteren Freilandversuche mehr durchgeführt. Seit 2016 werden vier Linien des gv-Weizens mit Genen aus Gerste auf dem Freisetzungsgelände Protected Site in der Schweiz versuchsweise angebaut.
• Zunahme von Korngewicht und -größe
  Wissenschaftlern an der Kansas State University ist es gelungen, mit Hilfe von CRISPR/Cas Mutationen in allen drei Kopien des Gens TaGW2 hervorzurufen, was eine Zunahme von Korngewicht und -größe zur Folge hatte.

Geringerer Asparagingehalt. Asparagin - eine in Weizen natürlich vorkommende Aminosäure - wird beim Backen oder Toasten von Brot umgewandelt in Acrylamid, das als krebserregend gilt. Am Rothamsted Research Institute in Großbritannien wurde bei Weizen mit Hilfe von CRISPR/Cas das Asparagin-Synthetase-Gen TaASN2 ausgeschaltet. Im Gewächshaus wiesen die editierten Pflanzen einen deutlich geringeren Asparagin-Gehalt im Korn auf als die unveränderten Vergleichspflanzen. Seit Oktober 2021 wurden die Pflanzen im Freiland getestet. Es sind die ersten Feldversuche von CRISPR-editiertem Weizen in ganz Europa. Inzwischen liegen die Ergebnisse vor: Die editierten Pflanzen wiesen einen bis zu 50 Prozent niedrigeren Asparagin-Gehalt auf als herkömmliche Weizenpflanzen. Auch der Acrylamid-Gehalt nach Erhitzen des Mehls war deutlich niedriger als bei konventionell gezüchteten Pflanzen. Hinsichtlich des Ertrags unterschieden sich die genom-editierten Pflanzen nicht von den Vergleichssorten. Nun werden noch weitere Weizenlinien mit zusätzlicher Geneditierung in die Freilandversuche mit einbezogen.

Verlängerte Ruhephase des Samens. Normalerweise legen die Samen vor der Keimung eine Ruhepause ein. Regnet es häufig während des Ausreifens der Samen, kann es dazu kommen, dass die Körner bereits in der Ähre keimen („Auswuchs“). Dies mindert erheblich die Qualität des Getreides. Forscher aus Japan haben mit CRISPR/Cas alle Kopien eines Gens in Weizen ausgeschaltet, welches für die Länge der Ruhephase mitverantwortlich ist. Die editierten Pflanzen wiesen im Vergleich zu den Kontrollpflanzen eine deutlich längere Ruhephase der Samen auf.

Glutenfreier Weizen. Personen, die unter der Stoffwechselkrankheit Zöliakie leiden, vertragen kein Gluten, da es ihre Darmschleimhaut zerstört. Problematisch sind die sogenannten Gliadine, bestimmte Gluten-Eiweiße. Einige Forschungsprojekte arbeiten daran, Weizen mit reduziertem Gliadin-Gehalt zu entwickeln. Spanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, mit CRISPR/Cas die meisten der im Genom enthaltenen Gliadin-Gene auszuschalten. Es wird weiter daran gearbeitet, auch die noch intakten Gliadin-Gene auszuschalten. Erste klinische Studien mit Zöliakie-Patienten liefern vielversprechende Ergebnisse.

Erhöhter Amylosegehalt. Australische Forscher haben mit Hilfe von RNA Interferenz einen Weizen so verändert, dass in den Körnern der Amylosegehalt etwa um das dreifache erhöht ist. Amylose hat auf den Körper eine ähnliche Wirkung wie Ballaststoffe. Sie zählt zu den sogenannten resistenten Stärken und soll die Darmflora verbessern und damit das Darmkrebs-Risiko senken.

Anreicherung mit Mikronährstoffen. In Entwicklungsländern nehmen viele Menschen zu wenig Mikronährstoffe auf, was zu schweren Gesundheitsschäden führen kann. Ein Ansatz im Kampf gegen Mangelernährung ist die Anreicherung v.a. von Grundnahrungspflanzen mit Mikronährstoffen. Dabei setzen die Züchter neben konventionellen Verfahren auch gentechnische ein.

• In Großbritannien hat ein Forschungsteam am John Innes Centre einen Weizen gentechnisch so verändert, dass er einen doppelt so hohen Eisengehalt aufweist wie herkömmliche Sorten. Der nährstoffangereicherte Weizen soll dazu beitragen, Mangelernährung in Entwicklungsländern zu reduzieren. Das Projekt wurde finanziell unterstützt durch das internationale Projekt Harvest Plus, das sich die Bekämpfung von Mangelernährung zum Ziel gesetzt hat. Von 2019 bis 2021 wurde der Weizen in Freilandversuchen getestet. Wie bereits Gewächshausversuche zeigten wies der gv-Weizen auch im Freiland einen doppelt so hohen Eisengehalt auf wie die Vergleichssorten. Seit 2022 laufen nun Feldversuche mit weiterentwickelten gv-Weizensorten der „2. Generation“, die mehr Eisen und Zink enthalten. Außerdem sollen die Mikronährstoffe besser vom Körper aufgenommen werden können. Die Freilandversuche sollen noch bis 2024 fortgeführt werden.
• Wissenschaftler der Chinese Academy of Agricultural Sciences veränderten bestimmte Gene in Weizen gentechnisch so, dass die Körner einen mehr als fünffachen Folsäure-Gehalt aufwiesen.
• Andere Forscher in China haben ein bestimmtes Gen in Weizen stillgelegt und damit den Abbau von Provitamin A unterdrückt. Gleichzeitig steigerten sie die Expression eines anderen Gens und konnten so den Gehalt an Provitamin A in den Körnern um das 31-fache erhöhen.