CRISPR Weizen

CRISPR/Cas bei Pflanzen:
Was die Gen-Schere kann - und was (noch) nicht

Von Juliette Irmer

Mit dem CRISPR/Cas-Verfahren lässt sich das Erbgut so einfach und präzise umschreiben wie noch nie. Das Potenzial der „Gen-Schere“ ist vor allem in der Pflanzenzucht gewaltig. Es könnten sich Pflanzen züchten lassen, die Schädlingen trotzen, Pestizide einsparen und dabei mehr Ertrag liefern. Womöglich auch Pflanzen, die Trockenheit und salzhaltige Böden tolerieren. Doch was kann Genome Editing tatsächlich leisten?

Um den Hype um Genome Editing, insbesondere um CRISPR/Cas zu verstehen, hilft ein kurzer Blick in die Geschichte der Pflanzenzucht. Die Ahnen von Mais und Weizen waren Wildgräser mit ziemlich kümmerlichen Fruchtständen. Jahrtausende lang wählte der Mensch die ertragreicheren unter ihnen zur Zucht aus und fuhr mit der Zeit bessere Ernten ein. Das war möglich, weil sich Pflanzen einer Art genetisch unterscheiden, sie weisen unterschiedliche DNA-Veränderungen auf, so genannte Mutationen, die manchmal auch zu unterschiedlichen äußeren Merkmalen führen, etwa kleineren oder größeren Fruchtständen. Indem der Mensch immer nur jene Pflanzen mit hohem Ertrag auswählte, wählte er also für ihn vorteilhafte Mutationen aus.

Gerste

Was mit CRISPR geht: Nachhaltiger Pflanzenschutz vor allem gegen krankheitserregende Viren, Pilze und Bakterien.

Mais, Trockenheit 2

Was auch mit CRISPR schwierig ist: Trocken- und salztolerante Pflanzen Grafik oben: Catalin Rusnak (123RF) / i-bio

Einen gewaltigen Schub erhielt die Pflanzenzucht Mitte des 20. Jahrhunderts als entdeckt wurde, dass man Mutationen auch künstlich hervorrufen kann: Setzt man Pflanzensamen ionisierenden Strahlen oder Chemikalien aus, löst das massenweise Mutationen aus, die zu potenziell interessanten, neuen Eigenschaften führen können. Durch diese ungerichtete Mutagenese erhält man immer eine Mischung aus Mutationen: Die meisten sind neutral, wenige sind negativ und sehr wenige positiv. Eine neue Pflanzensorte vereint idealerweise altbewährte und neuen Eigenschaften. Um dieses Ziel zu erreichen, sind aber oft mehrere, sich über Jahre hinziehende Rückkreuzungsschritte erforderlich. Auf diese Weise sind die über 3000 weltweit erhältlichen Kulturpflanzen entstanden, etwa Hartweizen, aus dem Nudeln gefertigt werden.

Die nächste Stufe der Pflanzenzucht war die klassische Gentechnik: Genetiker isolierten Gene, die für bestimmte Eigenschaften standen, etwa die Resistenz gegen Schädlinge, und überführten sie in das Erbgut von Pflanzen. Der Haken: Keiner kann vorhersagen, wo sich das zusätzliche Gen im Erbgut niederlässt, was zu unerwünschten Nebeneffekten führen kann.

Präzision statt Zufall

Mit dem Genome Editing ist dieses Problem nun behoben: Pflanzengenetiker müssen sich nicht länger auf den Zufall verlassen, sondern können das Erbgut gezielt an einem vorab bestimmten Ort verändern. Das Verfahren ist so präzise, dass oft auch von „Genchirurgie“ gesprochen wird. Hinzu kommt, dass sich viele verschiedene Veränderungen durchführen lassen: Punktmutationen, also der Austausch einzelner DNA-Bausteine (Basen), das Einfügen oder Löschen mehrerer Basen oder das Einfügen arteigener oder artfremder Gene.

Die Ziele der neuen Gentechnik unterscheiden sich dabei nicht von den Zielen der alten Gentechnik oder der traditionellen Zucht: Immer geht es darum Nutzpflanzen an die Bedürfnisse des Menschen anzupassen, sie also ertragreich und resistent gegen Krankheitserreger und Schädlinge zu machen. Das gilt heute mehr denn je: Die Weltbevölkerung wächst weiter und eine ausreichende Nahrungsmittelversorgung muss gewährleistet sein - und das unter den Bedingungen des Klimawandels und damit einhergehender Wetterereignisse wie Starkregen und anhaltende Trockenperioden, die zu Ernteausfällen und vermehrtem Schädlingsbefall führen können.

Mithilfe des Genome Editings haben Pflanzenzüchter Methoden zur Verfügung, die gewünschte Veränderungen viel schneller und gezielter in Pflanzen einbringen können als mit den üblichen Verfahren. CRISPR/Cas ist inzwischen das klar dominierende Genom Editing-Verfahren, denn es ist präzise, günstig und einfach zu handhaben.

Bis Mai 2018 wurden laut einer aktuellen Übersichtsarbeit von Forschern des Julius Kühn-Instituts in Quedlinburg 1328 Genom-Editierungs-Studien an insgesamt 68 Pflanzenarten durchgeführt, 1032 entfielen auf CRISPR. Noch handelt es sich oft um Grundlagenforschung, immerhin 99 Studien an 28 Nutzpflanzen identifiziert die Übersichtsstudie aber als marktorientiert. Klar die Nase vorn hat bei den untersuchten Nutzpflanzen Reis, gefolgt von Tomaten, Mais, Weizen und Sojabohnen. Neben den Klassikern Ertrag und Resistenzen versuchen Forscher auch die Qualität zu verbessern: Sie entwickeln Kartoffeln, die länger frisch bleiben und beim Erhitzen weniger Acrylamid produzieren, Weizen mit reduziertem Glutengehalt oder Blattsalat mit erhöhtem Vitamingehalt.

CRISPR/Cas

Mehr dazu im Lexikon: Crispr/Cas

Was möglich ist

Veränderte Genaktivität. 92 Prozent der vom Julius Kühn-Institut ausgewerteten Studien brachten mithilfe von CRISPR Punktmutationen und kleinere Insertionen in bestimmte Gene ein. Auf diese Weise lassen sich Gene schnell und unkompliziert ausschalten, um dann zu beobachten, wie sich das auf die jeweilige Pflanze auswirkt. CRISPR ist damit zu einem unersetzlichen Werkzeug der Grundlagenforschung avanciert. Etliche Beispiele zeigen das Potenzial der Methode für die Pflanzenzucht: Chinesischen Wissenschaftlern etwa ist es gelungen, beide Kopien eines Gens der Baumwolle mithilfe der CRISPR/Cas Methode auszuschalten. Das Ergebnis war ein verbessertes Seitenwurzelwachstum, was die Pflanze besser gedeihen lässt.

Beschleunigte Domestizierung. CRISPR und Co eröffnen Pflanzenzüchtern neue Wege der Pflanzenzucht: Durch Erbgutvergleiche von Wild- und Kulturpflanzen lassen sich jene Gengruppen identifizieren, die im Zuchtverlauf verändert wurden. Die heutigen Kulturpflanzen gelten als genetisch verarmt, weil das Zuchtziel meist auf einen hohen Ertrag ausgerichtet war. Mithilfe von CRISPR/Cas ließe sich der Domestikationsprozess neu starten und im Idealfall erhielte man Nutzpflanzen, mit den Vorteilen der Wildpflanzen, die in der Regel robuster sind und oft auch besser schmecken, und jenen von Kulturpflanzen, die ertragreicher sind. Forschern der Universität Münster ist das im Rahmen eines Verbundprojekts am Beispiel der Wildtomate Solanum pimpinellifolium gelungen: Mithilfe von Multiplex-CRISPR-Cas9 schalteten die Forscher gleich sechs Gene der Wildtomate aus. Diese produziert sehr aromatische Früchte, die aber nur erbsengroß sind. Nach nur einer Pflanzengeneration erzielten die Forscher die gewünschten Effekte: Ein verbesserter Wuchs, mehr Blüten, größere Früchte und einen höheren Gehalt an Lycopin, einem Antioxidans.

Nachhaltiger und gezielter Pflanzenschutz. Viele Pflanzenschutzmittel büßen mit der Zeit ihre Wirksamkeit ein, weil Schädlinge oder Krankheitserreger resistent werden. Andere werden aufgrund ihrer unspezifischen Wirkung, die sich auch für Nützlinge als schädlich erweist, verboten. Damit die durch Pflanzenkrankheiten verursachten Ertragsausfälle in Zukunft nicht noch größer werden, ist die Landwirtschaft aber dringend auf neue, nachhaltige Konzepte angewiesen. Mithilfe von Genome Editing könnte man etwa die Bildung bestimmter pflanzeneigener Proteine blockieren oder deren Struktur so verändern, dass Erreger nicht mehr in Pflanzenzellen eindringen können. 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, weswegen weniger Beeinträchtigungen anderer Tiere und Pflanzen zu erwarten sind. In China haben Wissenschaftler eine Punktmutation in einem Gen der Weinrebe erzeugt, das in der Schädlingsabwehr eine Rolle spielt, wodurch die Reben Grauschimmel besser tolerieren. Durch solche Ansätze könnte der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln reduziert werden.

Schneller als die Krankheitserreger. Erreger von Pflanzenkrankheiten, meist Pilze, aber auch Viren oder Bakterien, befinden sich in einem evolutiven Wettrüsten mit der Pflanze: Es ist meist nur eine Frage der Zeit, bis sie die in Kulturpflanzen vorhandenen oder eingezüchteten Resistenzen überwinden oder auch Pflanzenschutzmittel ihre Wirksamkeit verlieren. Denn das Erbgut von Erregern ist veränderlich, ebenso das von Pflanzen: Mutationen geschehen permanent, sie sind der Motor der Evolution. Wird ein Erreger aufgrund einer neuen DNA-Veränderung nun unempfindlich gegen ein Pflanzenschutzmittel, vermehrt sich fortan nur noch dieser Erreger. Pflanzenzüchter müssen mit diesen Entwicklungen Schritt halten. Je nach Kulturart kann es mit den heute üblichen Methoden allerdings 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 Zeit gewinnen.

Was (noch) nicht möglich ist

So vielversprechend Genome Editing ist – die Methoden haben ihre Grenzen. Pflanzen lassen sich mit CRISPR und Co zwar präziser und schneller verändern. Aber nach dem Erreichen des Editierziels schließen sich - wie bei konventionell gezüchteten Pflanzen auch - meist mehrere Jahre Züchtungsarbeit an, in denen die Pflanze auf ihre veränderten Eigenschaften hin überprüft wird.

Komplexe Pflanzeneigenschaften wie Salz- oder Trockenresistenz lassen sich auch mit Genome Editing nicht ohne weiteres in Nutzpflanzen zaubern. Denn an solchen Eigenschaften sind meist mehrere Gene beteiligt. Manchmal handelt es sich bei diesen Genen um Transkriptionsfaktoren, die gleich in mehreren Stoffwechselwegen einer Pflanze eine Rolle spielen, also nicht nur bei der Salztoleranz. Schaltet man ein solches Gen aus oder an, zeigt sich manchmal, dass die Resistenz mit Nachteilen in anderen Bereichen einhergeht.

Ineffizient ist momentan auch noch das Einführen von größeren DNA-Veränderungen mit CRISPR. Dabei muss man wissen, dass CRISPR vor allem eines kann: DNA an einer vorgegebenen Stelle schneiden (siehe Grafik). Die Reparatur der Schnittstelle wird der zelleigenen Maschinerie überlassen. Doch in Pflanzen funktioniert der Reparaturprozess, der zum Einfügen größerer DNA-Abschnitte benötigt wird, nicht zuverlässig.

Genome Editing ist kein Wunderwerkzeug mit dem sich auf einen Schlag alle Probleme der Pflanzenzucht beseitigen lassen – dennoch haben die Methoden das Potenzial, die Pflanzenzucht ein Stück weit zu revolutionieren. Viele Wissenschaftler sehen den größten Vorteil von CRISPR und Co in einer „Demokratisierung“ der Pflanzenzucht: Während sich die klassische Gentechnik – mit ihren extrem zeit- und kostenaufwändigen Zulassungsverfahren – nur für Agrarkonzerne und große globale Märkte rechnet, könnten mithilfe von Genome Editing auch Pflanzen entwickelt werden, die nur von regionalem Interesse sind.

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