Züchtungsverfahren Schema

Von Kreuzen bis Genome Editing: Wie Pflanzenzüchtung funktioniert

Pflanzenzüchtung? Wozu braucht man Gentechnik und andere neue Methoden, wenn doch die herkömmliche Kreuzungszüchtung gut funktioniert? Vertrauen wir doch der „Natur“, sie sorgt für Qualität und Sicherheit. Wozu brauchen wir da noch Molekularbiologen, die Gene verändern und im Erbgut der Pflanzen „herumbasteln“? Wissenschaftler greifen in die „Schöpfung“ ein, ohne wirklich zu überblicken, welche Folgen das haben könnte. So denken viele. Doch wer sich die verschiedenen Verfahren der Pflanzenzüchtung etwas genauer anschaut, merkt schnell, dass es ganz so einfach nicht ist.

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Die Verfahren der Pflanzenzüchtung im Überblick

An einem praktischen Beispiel sind im Folgenden einige alte und neue Verfahren der Pflanzenzüchtung schematisch dargestellt.

In eine bewährte Kultursorte soll eine Resistenz, etwa gegen eine Pilzkrankheit, eingeführt werden. Die Widerstandsfähigkeit der Nutzpflanzen zu verbessern, gehört schon immer zu ihren Kernaufgaben der Züchter. Das wird auch in Zukunft so bleiben - denkt man etwa an Pilz- und andere Krankheitserreger, die im Gefolge des Klimawandels in bisher nicht betroffene Regionen vordringen. Oder wenn plötzlich neue Rassen aufkommen, die große Schäden verursachen, weil die gängigen Kultursorten dagegen kaum widerstandsfähig sind. Solche Probleme gibt es überall auf der Welt und sie betreffen viele Pflanzenarten: Weizen, Gerste, Kartoffeln, Bananen, Bohnen, Apfelbäume, Weinreben…..

Kreuzungszüchtung

Kreuzungszüchtung

Voraussetzung: Es gibt eine artverwandte Pflanze mit der gewünschten Resistenz-Eigenschaft und dem entsprechenden Gen. Diese Pflanze ist mit der Kultursorte kreuzbar.

Ergebnis: In den Nachkommen vermischen sich die Gene aus der Kultursorte mit den Genen aus der Wildpflanze. Dabei können erwünschte Gene aus der Kultursorte verschwinden oder sich abschwächen. Zugleich gelangen unerwünschte Gene - und damit für Anbau und Produktqualität nachteilige Eigenschaften - aus der Wildpflanze in das Erbgut. Die Züchter müssen nun immer wieder die Nachkommen mit der Ausgangs-Kulturpflanze kreuzen (Rückkreuzung). Das Ziel: Pflanzen, die alle erwünschten Eigenschaften der Kultursorte besitzen, aber bis auf das Resistenz-Gen möglichst wenig Gene aus der Wildsorte.

Nachteil: Sehr zeitaufwändig, je nach Pflanzenart zehn bis 30 Jahre.
Die traditionelle Kreuzungszüchtung kann heute durch neue molekularbiologische Methoden ergänzt werden. Dabei werden nicht nur die äußeren Merkmale der Nachkommen (Phänotyp) herangezogen, um ihre Eignung für den weiteren Zuchtgang zu prüfen, sondern es wird bereits bei kleinen Pflänzchen oder einzelnen Zellen überprüft, ob die gewünschte Gen-Kombinationen (Genotyp) vorhanden ist. Das spart Zeit und erhöht die Effektivität (siehe: SMART-Breeding).

Zufälligkeit: Kreuzungszüchtung bringt Nachkommen hervor, bei denen sich nach dem Zufallsprinzip Gene aus Vater- und Mutterpflanzen vermischt haben. Dabei gelangen neue Gene oder Gen-Varianten (Allele) in die gezüchtete Sorte. Dem Züchter fallen sie nur dann auf, wenn sie in Form veränderter Pflanzeneigenschaften erkennbar sind.

Gesetzliche Regulierung: Keine.

Mutagenese

Mutationszüchtung

Technik: Eine Kulturpflanze mit guten Eigenschaften wird einer Strahlenquelle ausgesetzt oder mit bestimmten Chemikalien behandelt. Sie lösen in der Pflanze Mutationen aus - viel zahlreicher und „extremer“ als unter natürlichen Bedingungen.

Ergebnis: Es werden in großer Zahl veränderte Pflanzen erzeugt, jede mit zahlreichen unterschiedlichen Mutationen (Mutagenese) . Nun müssen diejenigen Pflanzenindividuen gefunden werden, bei denen auf diese Weise das erwünschte Resistenz-Gen entstanden ist und die zugleich in Bezug auf die übrigen Pflanzeneigenschaften keine unerwünschten Mutationen aufweisen. Dieses meist sehr aufwändige Screening wurde früher am Phänotyp (äußere Eigenschaften) durchgeführt, heute immer mehr am Genotyp (Gen-Analyse).

Nachteil: Die technisch herbeigeführten Mutationen sind zufällig und unkontrolliert. Einige vohttp://cms.transgen.de/n ihnen können unerkannt in die spätere Kultursorte gelangen. In einzelnen Fällen sind als Folge solcher Mutationen ungewollt Nahrungspflanzen entstanden, in denen schädliche Stoffe gebildet wurden (beispielsweise bei Kartoffeln).

Zufälligkeit: Mutationszüchtung ist immer ein ungerichtetes „Schrotschussexperiment“: Auch bei den Nachkommen, die für die weitere Sortenzüchtung ausgewählt werden, sind immer noch unzählige zufällige Mutationen vorhanden, die im einzelnen nicht bekannt sind.

Gesetzliche Regulierung: Keine. Mutationszüchtung ist Kreuzungs- und andereren „natürlichen“ Züchtungsverfahren gleichgestellt.

Cisgenetik

Cisgenetik

Voraussetzung wie bei der klassischen Kreuzungszüchtung: Es gibt eine artverwandte und damit kreuzbare Pflanze mit dem gewünschten Resistenz-Gen.

Technik: Das Resistenz-Gen wird isoliert und mit gentechnischen Verfahren (z.B. Transformation mit Agrobakterien) direkt in das Erbgut der Kulturpflanze eingeführt. Die Kultursorte enthält damit nur Erbgut aus dem Genpool der jeweiligen Art. Sind aus technischen Gründen weitere „artfremde“ Gen-Elemente (etwa Markergen) erforderlich, werden sie anschließend wieder aus der Pflanze entfernt.

Vorteil: Das Ergebnis - Pflanze mit arteigenem Resistenz-Gen - ist am Ende das gleiche wie bei der klassischen Züchtung. Cisgenetik ist jedoch schneller und präziser. Alle erwünschten Anbau- und Produkteigenschaften der Pflanzen bleiben erhalten. Aufwändige Rückkreuzungs-Programme sind daher nicht erforderlich.

Zufälligkeit: Es wird nur das Resistenz-Gen hinzugefügt. Allerdings ist der Ort, an dem es in das Erbgut der Pflanze eingebaut wird, nicht steuerbar. Theoretisch könnten dadurch andere Gene in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.

Gesetzliche Regulierung: Für mit Cisgenetik erzeugte Pflanzen gelten dieselben Vorschriften wie für gv-Pflanzen, etwa hinsichtlich Zulassung und Kennzeichnung.

Genome Editing 3

Genome Editing

Voraussetzung: In einer Kultursorte ist ein ähnliches Gen wie das gewünschte Resistenz-Gen vorhanden.

Technik: Mit Genome Editing-Verfahren kann das betreffende Gen zu einem funktionierenden Resistenz-Gen „umgeschrieben“ werden. Dazu müssen verschiedene Elemente in den Kern einer Pflanzenzelle eingebracht werden: Eine Sonde, ein Schneide-Protein und in einigen Fällen auch DNA-Sequenzen. Aufgabe der eigens dafür konstruierten molekularen Sonden ist es, genau die Stelle im riesigen Genom zu finden, die geändert werden soll. Genau dort durchtrennt das angeheftete Schneide-Protein den DNA-Strang. Die zelleigenen Reparatursysteme fügen nun den Bruch wieder zusammen. Dabei können einzelne DNA-Bausteine entfernt oder ausgetauscht werden. Es ist auch möglich, im Zuge der Reparatur neue DNA-Sequenzen an der Bruchstelle einzufügen.

Vorteil: Es können in einer bewährten Kultursorte direkt einzelne DNA-Bausteine umgeschrieben werden, ohne das vorhandene Erbgut - und damit alle übrigen Eigenschaften der Pflanzen - zu verändern. Bei einigen Genome Editing -Verfahren (CRISPR/Cas) ist es zudem möglich, gleichzeitig DNA-Bausteine in mehreren Gen-Regionen zu editieren. Mit der Technik können auch einzelne Gene abgeschaltet werden.

Zufälligkeit: Mit Genome Editing wird gezielt und an genau bestimmten Stellen Punkt-Mutationen hervorgerufen, viel schneller und präziser als bei der Mutationszüchtung. Zufällige, im einzelnen nicht bekannte Nebeneffekte wie bei den klassischen Verfahren gibt es nicht. Theoretisch möglich sind Strangbrüche an falschen, nicht beabsichtigen Stellen (off-target). Editierte Pflanzen können auf solche Ereignisse untersucht werden (etwa durch Sequenz-Analysen).

Gesetzliche Regulierung: In der EU ist der rechtliche Status noch offen. Länder wie USA oder Argentinien tendieren zu einer differenzierten Einstufung: Werden mit Genom Editing-Verfahren vorhandene DNA-Bausteine entfernt oder nur einzelne umgeschrieben, werden sie herkömmlichen Pflanzen gleichgestellt. Werden jedoch Gene oder Gen-Sequenzen an der Bruchstelle neu eingefügt, fallen die so geänderten Pflanzen unter die GVO-Bestimmungen.

Gentechnik

Klassische Gentechnik

Voraussetzung: Es ist ein Gen für die gewünschte Resistenz bekannt. Im Prinzip kann es aus jedem beliebigen Organismus stammen.

Technik: Mit verschiedenen Verfahren wird das Gen in das Erbgut der Kulturpflanzen eingeführt. Damit das Gen dort wirksam ist, werden in der Regel weitere Elemente wie Markergene oder Promotoren mit dem Ziel-Gen zu einem Genkonstrukt zusammengefügt.

Vorteil: Mit der Gentechnik können auch „artfremde“ Resistenz-Gene übertragen werden. Wenn im Genpool einer Art keine geeigneten Resistenz-Gene vorhanden sind, kann die Gentechnik oft die einzige Möglichkeit sein, wirksame Resistenzen in Kulturpflanzen hineinzubringen.

Zufälligkeit: In der Regel ist sowohl der Ort im Genom, an dem ein Gen eingefügt wird, wie auch die Anzahl der Kopien, nur bedingt kontrollierbar. Meist sind mehrere Transformationen nötig, um eine Pflanze mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Gesetzliche Regulierung: Für gentechnisch veränderte Pflanzen gibt es fast überall auf der Welt besondere Bestimmungen. Um zugelassen zu werden, müssen die Hersteller die Sicherheit ihrer Produkte nachweisen. In der EU sind daraus hergestellte Lebensmittel kennzeichnungspflichtig.

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