Weizenkörner

Weizen

Forschungsschwerpunkte Trockentoleranz, Resistenzen gegen verschiedene Pilzkrankheiten, Ertragssteigerung, Nährstoffanreicherung
Freilandversuche EU: 42 (7 Länder)
USA: 561, Kanada, Australien, Argentinien, Schweiz, weitere Länder

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 verwendet 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-Genome 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 (vor allem Smart Breeding) als auch die Möglichkeiten der Gentechnik. Allerdings ist Trockentoleranz in der Regel nicht durch einzelne Gene bestimmt, sondern von komplexen genetischen Netzwerken und Regelkreisen.

  • Staatlich finanzierte Forschungsprogramme für trockentoleranten Weizen gibt es in mehreren Ländern, etwa in Australien, Ägypten und China. In mehreren Ländern wie den USA, Mexiko, Australien oder Argentinien werden derzeit verschiedene gv-Weizenlinien getestet, in die Gene aus anderen, an Trockenheit angepassten Organismen eingeführt wurden. So haben etwa ägyptische Wissenschaftler einen trockentoleranten Weizen gezüchtet, in den sie ein Gen aus Gerste eingeführt haben.
  • In Argentinien wurde ein Gen (HaHB4) aus Sonnenblume genutzt, um Weizen tolerant gegenüber Hitze und Dürre zu machen. In zahlreichen Freilandversuchen wurde der HB4-Weizen erfolgreich getestet. Auch in Spanien gab es 2018 Freilandversuche mit diesem Weizen. Im Oktober 2020 erteilte das argentinische Landwirtschaftsministerium die Zulassung für den Anbau des HB4-Weizens. Ob es jedoch in absehbarer Zeit einen kommerziellen Anbau in Argentinien geben wird, hängt von der Akzeptanz der Importländer ab. Bisher hat noch kein Land gv-Weizen für den Import zugelassen.
Weizen

Mehltau an Weizen
Foto: Agroscope/ETH Zürich

Weizen, Fusarien

Fusarienbefall an Weizen
Foto: CIMMYT

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.
  • Resistenz gegen Fusarien und Brandpilze (Weizenflugbrand, Stinkbrand). In Deutschland gab es mehrere Freilandversuche mit gv-Weizen, bei denen auch verschiedene Resistenzkonzepte gegen Fusarien und Stinkbrand getestet werden sollten. Nach wiederholten Zerstörungsaktionen wurden die Versuche aufgegeben.
  • In einem Gemeinschaftsprojekt (PILTON) entwickeln mehrere deutsche Pflanzenzüchter Weizen mit einer besseren Toleranz gegen vier Pilzkrankheiten (Fusarien, Septoria, Braunrost, Gelbrost). Mit Hilfe der CRISPR/Cas wird ein Repressor-Gen blockiert, so dass das pflanzeneigene Abwehrsystem länger aktiv ist.

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.

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 haben Wissenschaftler am John Innes Centre einen Weizen gentechnisch so verändert, dass er einen doppelt so hohen Eisengehalt aufweist wie herkömmliche Sorten. Von 2019 bis 2021 wird dieser Weizen in Freilandversuche getestet. 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.
  • 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.

Freilandversuche mit gv-Weizen

Die Karte zeigt, in welchen Ländern Freilandversuche durchgeführt wurden.

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