Zickade

Mit dem Klimawandel kommen neue Schädlinge: Kann Pflanzenzüchtung noch Schritt halten?

Mit dem Klimawandel wird es in Mitteleuropa nicht nur trockener und heißer. Auch viele wärmeliebende Schädlinge und Krankheitserreger wandern weiter nach Norden – in Regionen, in denen sie bislang unbekannt waren. Landwirtschaft und vor allem die Pflanzenzüchter müssen sich darauf einstellen. Doch bis neue, besser angepasste Sorten entwickelt sind, kann es viele Jahre dauern - zu langsam, um dem Tempo des Klimawandels folgen zu können. Die neuen Genome Editing-Verfahren könnten Züchtung beschleunigen und präziser machen.

Temperaturanomalien Deutschland bis 2020

Deutschland wird heißer. Abweichung der Jahrestemperaturen 1881 - 2020 (jeweils vom Mittelwert der Jahre 1961 - 1990).
Grafik: DWD (Deutscher Wetterdienst)

Blattläuse auf Gerstenähre

Zikaden (großes Foto oben) und Blattläuse (Foto) sind als blattsaugende Insekten Überträger zahlreicher Pflanzenkrankheiten. Sie sind wärmeliebend und wandern mit steigenden Temperaturen nach Norden. Zudem werden sie aktiver und können sich stärker vermehren. So wird etwa das Barley Yellow Dwarf Virus (BYDV) von Blattläusen übertragen. Es ist eine der wirtschaftlich bedeutendsten Krankheiten bei Getreide.
Fotos: iStock

Der Klimawandel ist da: 2020 war das zweit-heißeste Jahr in Deutschland seit Beginn der Wetteraufzeichnungen, nur knapp hinter dem bisherigen Rekordjahr 2018. Für die Landwirtschaft bedeuten solche Perioden vor allem Ertragseinbußen: Im heißen und trockenen Jahr 2018 musste das Getreide vorzeitig geerntet werden. Schon früh hatte die Notreife eingesetzt, eine natürliche Schutzreaktion vieler Pflanzen: Die Körner werden vorzeitig reif, obwohl sie noch klein und längst nicht ausgewachsen sind. Auch bei Raps und Kartoffeln fielen die Ernten oft kümmerlich aus.

Es waren wohl nicht die letzten Dürrejahre: Bis 2050, so die Prognosen, werden die Durchschnittstemperaturen um ein bis 1,3 Grad Celsius steigen, bis 2100 je nach Szenario um weitere 1,2 bis 3,7 Grad.

Aber es sind nicht allein die direkten Folgen steigender Temperaturen - Hitze, Trockenperioden, abnehmende Bodenfeuchte -, die der Landwirtschaft zu schaffen machen. Mit dem Klimawandel verändert sich auch die Verbreitung von Schädlingen und Krankheitserregern wie Pilze oder Viren. Plötzlich können neue Pflanzenkrankheiten auftreten, die in einer Region bis dahin nicht vorkamen und die Landwirte vor große Probleme stellen.

Seit 1960 sind wärmeliebende Insektenschädlinge weltweit jedes Jahr um 2,7 Kilometer nach Norden gewandert. Bei einer Steigerung der Durchschnittstemperaturen um drei bis sechs Grad Celsius erwartet Prof. Frank Ordon, Leiter des Julius-Kühn-Instituts für Resistenzforschung und Stresstoleranz, eine Nordwanderung von bis zu tausend Kilometern. Nicht nur das: Mit der Wärme nehmen auch die biologischen Aktivitäten der Insekten zu. Sie sind länger im Jahr unterwegs, vermehren sich stärker oder bringen in einer Vegetationsperiode mehrere Generationen hervor. Es können sich neue Rassen oder Genotypen etablieren. Wenn das ökologische Gleichgewicht kippt, können Schädlinge plötzlich in Massen auftreten. Die aktuelle Borkenkäferplage in den Wäldern ist vielleicht ein erster Vorgeschmack - wie auch die asiatische Tigermücke, die inzwischen in Deutschland angekommen ist.

Jeder Temperaturanstieg verändert Verhalten und Verbreitung von Schädlingen. Vor allem in den gemäßigten Klimazonen bedeutet das geringere Ernten. Steigt die globale Durchschnittstemperatur um zwei Grad Celsius, nehmen laut eine Modellstudie der University of Washington (Seattle) die allein durch Schädlinge verursachten Ertragseinbußen bei Weizen um 46 Prozent zu, bei Mais um 31 und bei Reis um 19 Prozent (bezogen auf die derzeitigen Ernteverluste durch Schädlinge, Krankheiten und Unkräuter). Insgesamt könnten bei diesen drei Getreidearten die Ernten weltweit jährlich um 213 Millionen Tonnen geringer ausfallen.

Mit dem Klimawandel wird sich auch die geographische Verbreitung von Pflanzenkrankheiten ändern. Viele Erreger - Bakterien, Pilzen oder Viren - werden künftig auch dort auftreten, wo sie bisher unbekannt oder gut zu kontrollieren waren. Zudem können unter veränderten Umweltbedingungen schnell neue - womöglich aggressivere - „Mutanten“ entstehen.

Einige Erreger werden von blattsaugenden Läusen oder Zikaden übertragen, die künftig vermutlich auch dort vorkommen, wo es ihnen bisher zu kalt war. Sie einfach mit Pflanzenschutzmitteln zu bekämpfen, wird in Zukunft nicht mehr durchgängig funktionieren. Oft fehlt es an Wirkstoffen, die geeignet und in den jeweiligen Kulturen zugelassen sind. Zudem hat sich die Europäische Union zum Ziel gesetzt, den Einsatz „chemischer Pestizide“ bis 2030 und 50 Prozent zu reduzieren.

Mit dem Klimawandel verändern sich auch in Mitteleuropa die Bedingungen für die Landwirtschaft – in einem Tempo, das rasche Anpassungen erfordert. Das betrifft viele Bereiche – Anbaumethoden und Bewässerungstechnik, Umgang mit Ressourcen, Digitalisierung -, doch entscheidend wird sein, die Widerstandsfähigkeit der Nutzpflanzen gegenüber neuen Schädlingen und Krankheiten zu verbessern.

Manchmal sind solche Resistenzen im Laufe der jahrhundertelangen Züchtung verloren gegangen, aber in wilden Verwandten oder Landrassen - also im Genpool einer Art - noch vorhanden. Wenn man sie kennt oder in Genbanken gefunden hat, können damit Sorten mit verbesserter Widerstandskraft gezüchtet werden. Doch der klassische Weg - kreuzen, auswählen, immer wieder rückkreuzen - braucht viel Zeit: Je nach Kulturart zehn bis zwanzig Jahre – womöglich zu lang, um rechtzeitig auf das klimabedingte Auftreten von neuen Schädlingen oder Krankheiten reagieren zu können.

Gerade weil das Tempo des Klimawandels den Züchtern so wenig Zeit lässt ihre Sorten anzupassen, kommen die neuen molekularbiologischen Genome Editing-Verfahren – insbesondere CRISPR/Cas – ins Spiel: Sie wirken schneller und zielgerichteter. „CRISPR/Cas ist nur ein Werkzeug in der Pflanzenzüchtung, aber es wäre eines, das die Züchtung erheblich beschleunigt hätte“, so Frank Ordon in Top Agrar anlässlich einer großen Tagung über Klimawandel und Landwirtschaft (März 2019). Mit den neuen Verfahren seien Entwicklungszeiträume viel kürzer, so dass man schneller und effizienter auf die neuen Herausforderungen reagieren könne.

Mit Genome Editing ist es erstmals möglich geworden, einzelne Mutationen punktgenau herbeizuführen, ohne das übrige, aus Milliarden von Basenpaaren bestehende Erbgut zu verändern. Damit kann z.B. in einer etablierten Kultursorte gezielt eine weitere Eigenschaft - etwa eine Resistenz - „hinzueditiert“ werden, ohne die erwünschten Merkmale der Kultursorte zu verlieren wie es bei der Kreuzungszüchtung unvermeidlich ist.

So ist es chinesischen Wissenschaftler gelungen, in einer Kulturweizensorte eine Resistenz gegen Mehltau zu erzeugen, obwohl Weizen drei Genome besitzt und damit alle Gene in dreifacher Ausführung vorliegen, auch das MLO-Gen, welches für das Eindringen des Pilzes in die Pflanzenzelle verantwortlich ist. Erst mit der „Gen-Schere“ CRISPR/Cas wurde es möglich, alle drei MLO-Gene gleichzeitig zu blockieren, was mit klassischer Züchtung nahezu unmöglich ist. Deswegen gibt es bisher keine Weizensorten mit dauerhafter Mehltau-Resistenz.

Ein anderer Ansatz zielt darauf, die Interaktionen zwischen Pflanzenzellen und Viren zu stören. Wenn man die molekularen Prozesse kennt, über die Viren in Pflanzenzellen eindringen - etwa Proteinstrukturen auf deren Oberfläche -, ist es mit den neuen Verfahren möglich, diesen Weg zu versperren. In einigen Forschungsprojekten ist es gelungen, mit Hilfe von Genome Editing einzelne DNA-Bausteine im Erbgut von Pflanzen so „umzuschreiben“, dass Viren nicht mehr ihr biologisches Programm ausführen können: Zellen zu kapern und sich dort zu vermehren.

Möglich ist auch, die natürlichen Abwehrreaktionen von Pflanzen gegen Pilzkrankheiten zu verstärken oder über einen längeren Zeitraum aktiv zu halten, indem einzelne DNA-Bausteine in den für die Regulation verantwortlichen Genen umgeschrieben werden. Dieses Konzept verfolgt das aktuelle Gemeinschaftsprojekt deutscher Pflanzenzüchter (PILTON), in dem mit Hilfe von CRISPR/Cas Weizen mit einer dauerhaften Toleranz gegen verschiedene Pilzkrankheiten entwickelt wird.

Mit Genome Editing können die Züchter im Wettlauf mit den Erregern wieder Zeit gewinnen. Bei mehreren Pflanzenarten – etwa Weizen, Gerste, Mais, Reis, Kartoffeln, Orangen, Gurken, Paprika, Tomate, Weinrebe, Kakao – zeigen wissenschaftliche Publikationen, dass es damit grundsätzlich möglich ist, gezielt Resistenzen gegen Pflanzenkrankheiten zu entwickeln. Die meisten Projekte stammen aus China und den USA, einige wenige werden auch in Deutschland gefördert.

Doch Europa tut sich schwer, sich gegenüber den neuen Genome Editing-Verfahren zu öffnen. Mit Genome Editing gezüchtete Pflanzen fallen nicht nur unter die strengen Auflagen der Gentechnik-Gesetze, sie haben auch mit dem weit verbreiteten Negativ-Image der Gentechnik zu kämpfen.

Angesichts des Klimawandels ist ein pauschaler Verzicht auf die neuen Züchtungsverfahren nicht zu verantworten. Auch der Weltklimarat (IPCC) verweist in seinem Sonderbericht „Klimawandel und Landsysteme“ ausdrücklich auf die Bedeutung biotechnologischer Verfahren, etwa der Gen-Schere CRISPR/Cas. Damit sei es möglich, Pflanzen zu entwickeln, die besser mit Hitze- und Trockenstress sowie mit Schädlings- und Krankheitsbefall zurechtkommen.

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