CRISPR bei Weizen

CRISPR, TALEN & Co bei Pflanzen: Wozu soll das gut sein?

Gene editieren – die neuen molekularen Werkzeuge, um gezielt und präzise einzelne DNA-Bausteine umschreiben zu können, haben auch im Pflanzenbereich Wissenschaft und Forschung elektrisiert. Es herrscht Aufbruchsstimmung. Fast täglich erscheinen neue Publikationen. Doch die Öffentlichkeit reagiert skeptisch: Was können CRISPR/Cas & Co tatsächlich leisten? Was wird damit möglich, was bisher nicht möglich war? Und: Wozu brauchen die Züchter immer mehr High Tech und Eingriffe ins Erbgut der Nutzpflanzen? Gibt es nicht genug gute, bewährte Sorten?

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

„Neue Züchtungsmethoden wie CRISPR/Cas9 drängen auf den Markt, eine differenzierte Beurteilung der Gentechnik täte not. Pflanzen, welchen verloren gegangene Eigenschaften ihrer wilden Verwandten wieder zurückgegeben werden (zum Beispiel Widerstandskraft gegenüber Krankheiten, sodass chemische Fungizide eingespart werden), müssten anders beurteilt werden als „synthetische“ Pflanzen oder gar Ausrottungsstrategien für unerwünschte Stechmücken oder invasive Unkrautpflanzen.“

Urs Niggli, Direktor des Forschungsinstituts für biologischen Landbau (FiBL) Frick/Schweiz, Süddeutsche Zeitung 23.09.2016.

Foto: biosicherheit

So wenig es einfache Lösungen gibt: Ein Stillstand in der Pflanzenforschung und -züchtung kann jedenfalls keine Antwort sein. Angesichts der globalen Herausforderungen lässt es sich auch kaum verantworten, auf neue Verfahren von vornherein zu verzichten oder sie gar nicht erst zu erlauben, nur weil sie neu und den Konsumenten nicht vertraut sind.

Die Frage ist: Was können CRISPR/Cas, TALEN und andere Genome Editing-Verfahren leisten, was ohne sie nicht oder weniger gut erreichbar wäre?

Genome Editing bei Pflanzen: Was geht, was geht nicht?

Weniger Zeit, geringere Kosten. Genome Editing – vor allem CRISPR – ist ein vergleichsweise einfaches Verfahren. Anders als etwa bei der klassischen Gentechnik wird es damit möglich, die zu ändernde Stelle im DNA-Strang direkt und punktgenau anzusteuern. Die Kosten für die benötigten molekularen Instrumente und deren Einführen in eine Pflanzenzelle sind weitaus niedriger als bei anderen molekularbiologischen Verfahren.

Mehr Präzision, weniger Zufälligkeit. Bei der herkömmlichen Kreuzungszüchtung vermischen sich die Gene aus Mutter- und Vaterlinie nach dem Zufallsprinzip. Es kostet viel Zeit, anschließend die Nachkommen mit den „richtigen“ Genkombinationen zu finden. Oft sind mehrere, sich über Jahre hinziehende Rückkreuzungsschritte erforderlich, um unerwünschte Eigenschaften zu eliminieren.

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 gezielte 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 gesteuerter „chirurgischer“ Eingriff. Am Ende unterscheiden sich die Nachkommen einer so editierten Pflanze nicht von einer, wie sie auch als „natürliche“ Zufallsmutation hätte entstehen können.

Voraussetzung: Genomforschung. Um ein bestimmtes Merkmal 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 um die molekularbiologischen Prozesse in der Pflanzenzelle.

Inaktive Gene wieder aktivieren. Manchmal sind im Verlauf der langen Züchtungsgeschichte unbewusst einzelne, nicht mehr als wichtig angesehene Merkmale verloren gegangen, etwa Resistenzen gegen Pflanzenkrankheiten 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 beiläufiger Mutationen rückgängig gemacht und die betreffenden Gene wieder aktiviert werden.

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, wenn in Nahrungspflanzen die Bildung bestimmter Allergene oder Stoffe blockiert werden soll, die sich nachteilig auf Geschmack oder Haltbarkeit auswirken.

Schneller als die Krankheitserreger. Allein durch Pflanzenkrankheiten gehen weltweit neun bis 16 Prozent der Ernten verloren. Viele der Erreger, 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. Doch je nach Kulturart kann es 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, Gurken, Paprika – haben Wissenschaftler gezeigt, dass es möglich ist, schneller zu Resistenzen zu kommen. So kann etwa die Bildung bestimmter Proteine blockiert werden, auf die Pilze oder Viren angewiesen sind, um in die Pflanzenzelle einzudringen. Dadurch können sich die Erreger nicht vermehren und die Pflanze ist deutlich weniger anfällig (siehe Beispiele).

Innerhalb der Artgrenzen. Bleibt Genome Editing innerhalb des jeweils arteigenen Genpools, gelten die Pflanzen in vielen Ländern außerhalb der EU nicht als „gentechnisch verändert“ (GVO). Das ist immer dann der Fall, wenn vorhandene Gene ausgeschaltet oder mit Hilfe der zelleigenen Reparatursysteme nur einzelne DNA-Bausteine ausgetauscht werden. In der Regel sind solche Änderungen in einer Pflanze nicht nachweisbar, da sie auch zufällig hätten entstehen können. Besondere Zulassungs- oder Kennzeichnungsvorschriften gelten dann nicht.

Wenn jedoch größere „fremde“ DNA-Abschnitte eingeführt werden, fallen die betreffenden Pflanzen unter die strengen Gentechnik-Regularien. (In der EU steht die Entscheidung über eine solche Rechtsauslegung noch aus.)

Mehr Dezentralität in Forschung und Entwicklung. 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 globalem Konzentrationsprozess in der Saatgutbranche befördert hat, könnten die Genome Editing-Verfahren eine gegenläufige, dezentrale Entwicklung zu differenzierten, regional angepassten Lösungen ermöglichen.

Sollten jedoch in der EU alle editierten Pflanzen grundsätzlich als „gentechnisch verändert“ eingestuft werden, würden für Genome Editing die gleichen Regularien gelten wie für die Gentechnik. Für kleinere, auf regionale Probleme zielende Unternehmen und Forschungsprojekte wären CRISPR & Co dann allenfalls als Labormethode nutzbar. Freilandtests, erst recht der Anbau editierter Pflanzen, kämen dann kaum noch in Frage.

Weizen, Mehltaubefall

Genome Editing bei Pflanzen: Einige Beispiele

Weizen: MLO-Schlüsselproteine gegen Mehltau ausgeschaltet. Mehltau ist eine weit verbreitete Pilzkrankeit, die Weizen und andere Getreidearten befällt. Die Ertragsverluste können bis zu 25 Prozent betragen. Die Züchtung resistenter Sorten ist schwierig, da Weizen hexaploid ist, also einen dreifachen jeweils doppelten Chromosomensatz besitzt. Jedes Gen ist gleich dreimal vorhanden, meist in unterschiedlichen Varianten. Soll ein neues Merkmal – etwa eine verbesserte Mehltauresistenz – eingezüchtet werden, müssen die entsprechenden Gene auf allen drei Chromosomen vorhanden sein. In der klassischen Züchtung – und auch für die Gentechnik – ist es eine bisher kaum lösbare Aufgabe. Mit Genome Editing könnte das einfacher werden: Chinesische Wissenschaftler haben mit CRISPR bzw. TALEN bei einer Weizensorte gleichzeitig alle drei vorhandenen MLO-Gene „ausgeschaltet“. Diese codieren für ein bestimmtes Protein (MLO), das dem Pilz das Eindringen in die Pflanzenzelle ermöglicht. Das Ergebnis: Weizen, bei dem die pathogenen Pilze keinen Schaden anrichten können. In den USA werden diese editierten Sorten bereits im Freiland getestet. Die dortigen Behörden haben offiziell bestätigt, dass sie nicht unter Gentechnik-Vorschriften fallen.

Erdnuss

Erdnuss: Mit CRISPR keine Allergene mehr? Erdnuss-Allergien gehören zu den häufigsten Lebensmittel-Allergien. Allein drei Millionen US-Amerikaner leiden darunter, in den Industrieländern 1,5 bis 3 Prozent aller Kinder. Bisher ist es nicht gelungen, Allergen-freie Erdnüsse zu entwickeln, denn nicht nur ein Protein löst sie aus, sondern mehrere und zudem mit einem komplizierten genetischen Hintergrund. Nach verschiedenen, am Ende erfolglosen Ansätzen mit klassischer Gentechnik bestehen mit CRISPR Aussichten, der hypoallergenen Erdnuss zumindest ein Stück näher zu kommen. Aranex, ein Startup an der Unversity of Warwick (Coventry, UK) arbeitet daran. Die jungen Wissenschaftler wollen mit CRISPR drei allergene Erdnuss-Proteine ausschalten.

Gurke

Foto: Satit Srihin, 123RF

Gurke: Endlich Virus-Resistenzen? Viele Pflanzenkrankheiten werden durch Viren ausgelöst. Da die Züchtung widerstandsfähiger Sorten oft schwierig ist, werden die Überträger – meist Insekten – oft mit viel Chemie bekämpft. Auch hier eröffnen sich mit CRISPR neue Möglichkeiten, so können etwa bestimmte Oberflächenproteine so verändert werden, dass die Viren nicht mehr in die Zellen eindringen und sie für die eigene Vermehrung kapern können. So ist etwa einem Team am Volcani Center in Israel gelungen, Gurken mit einer breiten Resistenz gegen verschiedene Viren zu entwickeln. Abgesehen von einigen frühen Projekten mit herkömmlicher Gentechnik sind es die ersten virusresistenten Gurken überhaupt.

CRISPR/Cas, TALEN und Genome Editing: Projekte in der Pflanzenzüchtung (Beispiele)

Pflanzenart Ziel Verfahren Wer Stand
Weizen Mehltau-Resistenz TALEN Calyxt Feldversuche, in den USA nicht als GVO eigestuft
Weizen Mehltau-Resistenz CRISPR Chinese Academy of Science Projekt publiziert
Weizen weniger Gluten TALEN Calyxt Entwicklung
Mais Trockentoleranz CRISPR DuPont Pioneer Feldversuche
Wachsmais Stärke CRISPR DuPont Pioneer Markteinführung in fünf Jahren, in den USA nicht als GVO eingestuft
Reis Toleranz gegen Reisbrand (Rice blast) CRISPR Chinese Academy of Science Projekt publiziert
Erdnuss Ausschalten von Allergenen CRISPR Aranex, UK Startup
Gurken Resistenz gegen Viren CRISPR Volcani Center, Israel Projekt publiziert
Citrusfrüchte Resistenz gegen Citrus Greening CRISPR Univ. of Florida Projekt publiziert
Paprika (Pepper) Resistenz gegen Viren CRISPR Seminis Vegetable Seeds Entwicklung
Tomate Reifeverzögerung CRISPR Univ. Nottingham, UK Studie publiziert
Kartoffel Lagerfähigkeit, weniger Acrylamid CRISPR, TALEN Univ. of Minnesota, Simplot, Calyxt in den USA nicht als GVO eingestuft*
Sojabohnen veränderte Fettsäuren TALEN Calyxt in den USA nicht als GVO eingestuft, Feldversuche
Pappeln Genfunktionen CRISPR Univ. Umea, Schweden Forschung

*eine GVO-Variante (Kartoffel mit den gleichen Merkmalen) ist in den USA bereits zugelassen

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