CRISPR, Genschere

CRISPR/Cas & Co: Wozu Genome Editing bei Pflanzen gut ist

Mit der „Gen-Schere“ ändert sich alles: Erstmals ist es möglich geworden, im Erbgut gezielt und präzise einzelne DNA-Bausteine umzuschreiben. Das hat auch die Pflanzenforschung elektrisiert. Es herrscht Aufbruchsstimmung. Fast täglich erscheinen wissenschaftliche Publikationen, in denen immer neue Durchbrüche gefeiert werden. Doch die Öffentlichkeit reagiert skeptisch: Was können CRISPR/Cas und andere Genome Editing-Verfahren tatsächlich leisten? Brauchen wir das wirklich?

Pflanzenzüchtung ist ein ständiger Prozess. Gleich ob bio oder konventionell: Es gibt kein einmal erreichtes Niveau, auf dem sich die Züchter ausruhen könnten. Mit immer wieder verbesserten Sorten müssen sie den wandlungsfähigen Schädlingen oder Krankheitserregern einen Schritt voraus sein. Die landwirtschaftlich nutzbaren Flächen sind begrenzt und die natürlichen Ressourcen knapp, dennoch müssen die Erträge steigen, um eine wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Und das alles in den Zeiten des Klimawandels mit Wetterextremen in vielen Regionen.

Urs Niggli

Es könnten Pflanzen gezüchtet werden, die sich besser an schwierige Umweltbedingungen anpassen. Die Feinwurzelarchitektur könnte verbessert werden, damit die Wurzeln mehr Nährstoffe wie Phosphor oder Stickstoff aus dem Boden aufnehmen. Auch die Toleranz oder Resistenz gegenüber Krankheiten und Schaderregern sowie Lagerungsfähigkeit und Qualität von Lebens- und Futtermitteln könnten verbessert werden.

Prof. Urs Niggli, Direktor des Forschungsinstituts für biologischen Landbau (FiBL) Frick/Schweiz im Greenpeace-Magazin, Febr. 2016.

Katja Becker

Im Vordergrund der Betrachtung sollte dabei das von einer neuartigen Pflanze ausgehende mögliche Risiko stehen – unabhängig von der Technologie, mit der sie hergestellt wurde. Das wäre im Sinne der Verbraucher ebenso wie im Interesse der Forschung und könnte neue Möglichkeiten für eine in die Zukunft gerichtete, nachhaltige Landwirtschaft eröffnen.

Prof. Katja Becker, Molekularbiologin an der Universität Gießen und Vizepräsidentin der DFG

Peter Dabrock

Man trägt Verantwortung für das, was man tut, aber auch für das, was man wider besseres Wissen verhindert.

Prof. Peter Dabrock, Theologe an der Universität Erlangen-Nürnberg und Vorsitzender des Deutschen Ethikrates

Fotos: bioSicherheit, DFG, Deutscher Ethikrat

So wenig es einfache Lösungen für diese großen Herausforderungen gibt: Ein Stillstand in der Pflanzenzüchtung kann jedenfalls keine Antwort sein. Spätestens mit Gregor Mendel (1822-1884) und seinen Regeln der Vererbung ist sie immer mehr verwissenschaftlicht worden. Heute sind ganz neue, möglicherweise bessere molekularbiologische Verfahren hinzugekommen. Lässt es sich verantworten, von vornherein auf sie zu verzichten oder sie gar nicht erst zu erlauben, nur weil sie neu und den Konsumenten nicht vertraut sind? Die entscheidende Frage ist: Was können CRISPR/Cas, TALEN und andere Genome Editing-Verfahren für die Pflanzenzüchtung leisten, was ohne sie nicht oder weniger gut erreichbar wäre?

Genome Editing bei Pflanzen: Weniger Zufälligkeit, mehr Präzision

Züchtung - gleich ob mit herkömmlicher Kreuzung oder Gentechnik - wirkt sich immer auch auf die Gene aus. Jede kleine Verbesserung der Eigenschaften einer Pflanze, sei es im Hinblick auf Anbau, Verarbeitung oder Produktqualität ist die Folge mehr oder weniger zufälliger Änderungen im Genom. Pflanzenzüchtung nutzt diese natürlichen Zufälligkeiten und die große Variabilität, die sich daraus ergibt.

So vermischen sich bei der herkömmlichen Kreuzungszüchtung Gene aus Mutter- und Vaterlinie nach dem Zufallsprinzip. Anschließend müssen die Züchter jedoch viel Zeit, Kosten und Geduld investieren, um in der großen Zahl unterschiedlicher Nachkommen genau diejenigen mit den „richtigen“ Genkombinationen zu finden. Zudem müssen unerwünschte Eigenschaften eliminiert werden. Dazu sind oft mehrere, sich über Jahre hinziehende Rückkreuzungsschritte erforderlich.

Mit Genome Editing ist Züchtung weniger vom Zufall abhängig: Einzelne DNA-Bausteine in einer Pflanze können „umgeschrieben“ werden, so präzise und genau, wie es bis vor kurzem unvorstellbar war. Es werden Punktmutationen herbeigeführt – ganz ähnlich wie bei der herkömmlichen Mutationszüchtung. Nur: Es ist kein zufälliger Prozess mehr, bei dem unerwünschte Nebeneffekte nicht zu vermeiden sind, sondern ein präzise gesetzter „chirurgischer“ Eingriff. Am Ende unterscheiden sich die Nachkommen einer so editierten Pflanze nicht von einer, wie sie auch als „natürliche“ Zufallsmutation hätte entstehen können.

Anders als etwa bei der klassischen Gentechnik wird es mit Genome Editing-Verfahren möglich, die zu ändernde Stelle im DNA-Strang direkt und punktgenau anzusteuern. Zudem sind die Kosten für die benötigten molekularen Instrumente und deren Einführen in eine Pflanzenzelle weitaus niedriger als bei anderen molekularbiologischen Verfahren.

Die Stärken: Was mit Genome Editing möglich werden könnte

Gene ausschalten. Vor allem das CRISPR/Cas-System ist in kurzer Zeit zu einem überall auf der Welt genutzten Laborverfahren geworden, um die Funktionalität von Genen in Bezug auf bestimmte Merkmale zu erforschen. Man kann damit schnell und unkompliziert ein Gen ausschalten, um dann zu beobachten, wie sich das auf die jeweilige Pflanze - oder andere Organismen - auswirkt. Das macht man nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern auch, um Gene für unerwünschte Stoffe stillzulegen, etwa bestimmte Allergene.

Inaktive Gene wieder aktivieren. Manchmal sind im Verlauf der langen Züchtungsgeschichte unbewusst einzelne, nicht mehr als wichtig angesehene Merkmale verloren gegangen, etwa bestimmte Resistenzen oder Geschmackseigenschaften. Die entsprechenden Gene sind zwar noch im Genpool vorhanden, allerdings nicht mehr in einer aktiven Form. Mit Genome Editing können die Folgen solcher beiläufigen Mutationen rückgängig gemacht und die betreffenden Gene wieder aktiviert werden.

Neue Strategien im Pflanzenschutz. Viele Pflanzenschutzmittel haben mit der Zeit ihre Wirksamkeit eingebüßt, weil Schädlinge oder Krankheitserreger resistent geworden sind. Bei anderen zeigen sich unerwünschte Nebenwirkungen oder sie sind inzwischen nicht mehr zugelassen. Damit die durch Pflanzenkrankheiten verursachten Ertragsausfälle in Zukunft nicht noch größer werden, ist die Landwirtschaft dringend auf neue, nachhaltige Konzepte angewiesen. Auch hier scheint mit Genome Editing einiges möglich: Man kann etwa die Bildung bestimmter pflanzeneigener Proteine blockieren oder deren Struktur verändern, auf die schädliche Viren oder Pilze angewiesen sind, um in die Pflanzenzelle einzudringen. Dadurch können sich die Erreger nicht vermehren und die Pflanze ist deutlich weniger anfällig. Andere Ansätze zielen darauf, die pflanzeneigene Immunabwehr zu verstärken.

Anders als beim chemischen Pflanzenschutz sind die Genome Editing-basierten Konzepte hochspezifisch: Sie zielen ausschließlich auf einen ganz bestimmten Krankheitserreger und seine Interaktionen mit der Nutzpflanze. Das verspricht nicht nur eine bessere Wirksamkeit als bei vielen herkömmlichen Mitteln. Es sind auch weniger „Streueffekte“ zu erwarten - etwa Beeinträchtigungen für andere Tiere und Pflanzen.

Schneller als die Krankheitserreger. Viele Erreger von Pflanzenkrankheiten, meist Pilze, aber auch Viren oder Bakterien, sind außerordentlich anpassungsfähig. Sie können die in den Kulturpflanzen vorhandenen oder eingezüchteten Resistenzen überwinden oder „lernen“, den gegen sie eingesetzten Pflanzenschutzmitteln zu widerstehen. Andere Erreger – aktuell etwa bei Weizen oder Bananen – bilden neue Rassen, denen die etablierten Bekämpfungsstrategien nichts anhaben können. In der global vernetzten Welt können sich solche neuen Erreger rasch ausbreiten. Zudem werden sich mit dem Klimawandel in einigen Regionen auch die klimatischen Bedingungen für die Landwirtschaft ändern – und damit auch das Auftreten von Krankheitserregern.

Die Züchtung muss mit den Erregern Schritt halten – sowohl mit den bekannten wie den neu auftretenden. Je nach Kulturart kann es mit den heute üblichen Methoden 15 bis 30 Jahre dauern, bis eine neue widerstandsfähige Sorte entwickelt und zugelassen ist. Mit Genome Editing können die Züchter im Wettlauf mit den Erregern wieder Zeit gewinnen. Bei mehreren Pflanzenarten – etwa Weizen, Reis, Gerste, Orangen, Gurken, Paprika – haben Wissenschaftler gezeigt, dass es damit möglich ist, schneller zu Resistenzen zu kommen.

Genaktivitäten verstärken. Die Aktivität von Genen – und damit die Menge und die Dauer, mit der die codierten Proteine gebildet werden - wird von Gen-Elementen (Promotoren) gesteuert. Oft reagieren sie auf Licht, Temperatur oder andere Umweltbedingungen: So bilden einige Pflanzen unter Stress – etwa bei Hitze oder Wassermangel – bestimmte Proteine, mit denen sie dann besser geschützt sind. Durch gezielte, mit Genome Editing ausgeführte Punktmutationen in den Promotoren könnte man die Bildung solcher Anti-Stress-Proteine verstärken.

Vorbedingung: Viel Genomforschung

Um ein bestimmtes Pflanzenmerkmal zu ändern oder zu optimieren, müssen die zu editierenden Gene und ihre Funktion vollständig bekannt sein. Die Wissenschaftler müssen ihr Ziel und den Ort im riesengroßen, Milliarden DNA-Bausteine großen Erbgut genau kennen – und wissen, was und wie sie dort „umschreiben“ wollen. Das erfordert viel Genomforschung und ein genaues Wissen über die molekularbiologischen Prozesse in der Pflanzenzelle.

Weil vor allem CRISPR/Cas vergleichsweise einfach ist, zuverlässig funktioniert und auch für kleine, weniger gut ausgestattete Labore anwendbar ist, können es sich auch öffentliche Forschungseinrichtungen, regional orientierte Unternehmen oder Startups leisten, nicht nur die großen, internationalen Konzerne. Zudem können moderne molekularbiologische Verfahren endlich auch für Pflanzenarten oder Züchtungsziele eingesetzt werden, die nur von regionalem Interesse sind, ohne riesige globale Märkte im Hintergrund. Während die Gentechnik – mit ihren extrem zeit- und kostenaufwändigen Zulassungsverfahren – den globalen Konzentrationsprozess in der Saatgutbranche befördert hat, könnten die Genome Editing-Verfahren eine gegenläufige, dezentrale Entwicklung hin zu differenzierten, regional angepassten Lösungen ermöglichen.

Kallus im Nährmedium 2

Gentechnik oder keine?

Bisher ist in der EU rechtlich und politisch nicht geklärt, ob mit Genome Editing-Verfahren entwickelte Pflanzen eher als Mutation anzusehen sind, für die es derzeit keine besonderen Vorschriften gibt, oder ob sie unter die Gentechnik-Gesetze mit ihren strengen Kennzeichnungs- und Zulassungsvorschriften fallen. In einem Positionspapier hat der VBIO (Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland) zusammen mit weiteren wissenschaftlichen Fachgesellschaften folgende differnzierte Klassifizierung vorgeschlagen:

Rechtliche Einstufung von Pflanzen, die mit Genome Editing verändert wurden (nach VBio)

Variante Genome Editing Einstufung
GE1 Verfahren, die eine Punktmutation in der DNA der Pflanzen herbeiführen, darüber hinaus keine aktive Änderung der DNA wie Mutation
GE2 Verfahren, bei denen ein kurzes Stück DNA in die pflanzliche Erbinformation integriert wurde, das nahezu identisch zur ursprünglichen Sequenz ist, aber einzelne Basenänderungen enthält wie Mutation
GE3 Verfahren, bei denen DNA integriert wird, die neben der ursprünglichen Sequenz ein längeres DNA-Fragment (mehr als 20 Basen) oder ein komplettes Gen eines anderen Organismus beinhaltet wie GVO


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