Grapefruit

Mutationszüchtung: Zufälligkeit als Methode

Erbgut ist nichts Statisches. Bei jeder Zellteilung verändert es sich. Mutationen sind die Triebfedern der Evolution und Auslöser für äußere Unterschiede zwischen einzelnen Organismen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts ist es in der Pflanzenzüchtung weit verbreitet, künstlich ungerichtete, zufällige Veränderungen im Erbgut auszulösen. Dafür kann man bestimmte Chemikalien einsetzen, aber auch ionisierende Strahlen. Obwohl die meisten dieser Mutationen im Einzelnen unbekannt sind, gibt es keine besonderen Vorschriften für so erhaltene Sorten. Sie sind heute selbstverständlich, auch in der Bio-Landwirtschaft.

Bestrahlungsanlage für Mutationszüchtung

Strahlenquelle in der Mitte. Solche offenen Anlagen zur Muationszüchtung wie diese in Japan sind heute nicht mehr üblich.

Pflanzenarten Mutagenese

Noch immer viel Mutationszüchtung: Anzahl registrierter Sorten in der gemeinsamen Datenbank von Welternährungsorganisation (FAO) und Atomenergiebehörde (IAEA). Bei 87 Prozent der registrierten Sorten wurden die Mutationen physikalisch durch Bestrahlung ausgelöst, bei 13 Prozent chemisch.

Hartweizen

Hart- oder Durumweizen, vor allem für Pasta. Fast alle heute gebräuchlichen Sorten sind durch Mutationszüchtung entstanden.- Großes Foto oben: Ruby Red Grapefruit. Beliebt, aber gezüchtet mit erbgutverändernder Bestrahlung - ebenso wie viele andere kernlose Obstpflanzen.

Foto: Mykola Davydenko bestfotostudio; 123RF

Natürliche, zufällige Mutationen. Auf etwa 150.000 Kilobasenpaare (kbp) - oder 150 Millionen DNA-„Buchstaben“ - kommt pro Generation etwa eine Mutation. Bezogen auf die jeweilige Genomgröße von Kulturpflanzen sind das bei Kartoffeln 6, bei Weizen mit seinem sehr großen Genom 120 zufällige, im einzelnen nicht bekannte Mutationen. Bei der klassischen Züchtung fallen sie nur dann auf, wenn sie zu veränderten Merkmalen (Phänotyp) führen.

Bei allen Lebewesen treten unablässig Mutationen auf, zufällige, bleibende Veränderungen im Erbgut. Die Ursache dafür sind Fehler, wie sie bei jeder Zellteilung entstehen, wenn der DNA-Strang aufgeteilt, neu kombiniert und weitergegeben wird. Solche Fehler können aber auch durch äußere Faktoren ausgelöst werden, etwa die kurzwellige UV-Strahlung der Sonne oder die Strahlung radioaktiver Substanzen, die natürlicherweise in der Erdkruste und der Atmosphäre vorkommen. Sie führen zu Brüchen im DNA-Strang. Bei der folgenden zelleigenen Reparatur entstehen Abweichungen von der ursprünglichen DNA-Abfolge - Mutationen. Bei Pflanzen treten von einer Generation zur nächsten mehrere Tausend davon auf - alle zufällig und im Einzelnen nicht bekannt (siehe Kasten).

Die allermeisten dieser Mutationen haben keine Auswirkungen. Einige führen dazu, dass das betreffende Individuum geschädigt ist und deshalb weniger Nachkommen als seine Artgenossen hat oder nicht überlebensfähig ist. Nur etwa ein Prozent aller Neumutationen bringen ihrem Träger eine neue Eigenschaft ein, die für ihn von Vorteil ist. Sie breiten sich allmählich in einer Population aus und sind so die Treiber der Evolution.

Anfang des 20. Jahrhunderts erkannte man, dass Mutationen durch verschiedene äußere Einwirkungen hervorgerufen werden können. In den 1930er Jahren kam dann die Mutationszüchtung (Mutagenese) auf, bei denen man Pflanzensamen Röntgen- oder Neutronenstrahlen aussetzt und so Mutationen provoziert - mehr und „extremere“ als unter natürlichen Bedingungen. Anschließend wird untersucht, ob dabei zufällig auch neue, für die Züchtung interessante Eigenschaften entstanden sind.

In den 1960er Jahren gründeten die Welternährungsorganisation (FAO) und die Internationale Atomenergiebehörde (IAEA) eine gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsabteilung, die bis heute Mutationszüchtung an Nutzpflanzen betreibt. Weltweit sind bald 3300 neue Sorten auf diese Weise gezüchtet worden. Dazu zählen beispielsweise ein Großteil der Hartweizensorten, die für die Herstellung von Pasta verwendet werden, aber auch viele andere Getreidesorten, Obst, Gemüse und Hülsenfrüchte. So sind etwa die Ausgangslinien der heute sehr beliebten rosafarbenen Grapefruit-Sorten (Star Ruby, Ruby Red) vor Jahrzehnten durch Strahlenbeschuss entstanden.

Mutationszüchtung ist immer ein ungerichtetes „Schrotschussexperiment“: Wenn Pflanzen ionisierender Strahlung oder erbgutverändernden Chemikalien ausgesetzt werden, sollen diffuse, möglichst zahlreiche Mutationen ausgelöst werden. Wie viele es sind, wo es im Genom geschieht und welche Gene davon betroffen sind, ist zufällig und im Einzelnen nicht bekannt. Die Züchter hoffen, dass unter den unzähligen Mutationen auch solche sind, bei denen neue oder verbesserte Eigenschaften entstanden sind. Und genau diese Pflanzenindividuen müssen sie finden, meist in aufwändigen Untersuchungsreihen (Screening).

Doch die Ziel-Mutation wird immer auch mit „Nebenwirkungen“ erkauft - zufällige Mutationen irgendwo im Erbgut. Solche Zufallsmutationen können Genregionen betreffen, in denen vorhandene, auch weiterhin erwünschte Eigenschaften der jeweiligen Kulturpflanze codiert sind. Diese Eigenschaften gehen dann verloren. Um das zu verhindern, müssen solche Eigenschaften wieder „rückgekreuzt“ werden, was oft langjährige Züchtungsprogramme erfordert. Die meisten zufälligen Mutationen bleiben jedoch unerkannt, da sie sich nicht in äußeren Veränderungen (Phänotyp) niederschlagen. In einzelnen Fällen sind als Folge solcher Mutationen ungewollt Nahrungspflanzen entstanden, in denen schädliche Stoffe gebildet wurden, beispielsweise bei Kartoffeln. Mit den heutigen molekularbiologschen Verfahren (Sequenzanalyse) ist es inzwischen möglich, die ausgelösten Mutationen auf DNA-Ebene (Genotyp) zu untersuchen.

Auch wenn in großer Zahl zufällige, im Einzelnen unbekannte Veränderungen im Erbgut ausgelöst werden, wird diese „klassische“ Mutationszüchtung allgemein als konventionelle Züchtung angesehen, für die in der Praxis keine besonderen Regelungen einzuhalten sind.

Mutation und Gentechnik: Wenn Juristen über wissenschaftliche Fragen entscheiden

Lange war es selbstverständlich. Für Pflanzen aus Mutationszüchtung gelten die gleichen Vorschriften wie für solche aus herkömmlicher Züchtung: Bis auf das Sortenrecht keine. Im Juli 2018 entschied jedoch der Europäische Gerichtshof (EuGH), dass auch Mutagenese mit Strahlung oder Chemikalien zu einem „genetisch veränderten Organismus“ (GVO) führt, da „eine auf natürliche Weise nicht mögliche Veränderung am genetischen Material eines Organismus vorgenommen wird“. Gleichzeitig werden so erzeugte Pflanzen (und Tiere) von den nach Gentechnik-Recht geltenden Bestimmungen wie etwa Zulassungs- und Kennzeichnungspflichten befreit. Die EuGH-Richter begründen das mit der langen Erfahrung, die man mit der Mutationszüchtung habe. Es sei daher gerechtfertigt, daraus hervorgegangene Pflanzen ohne weitere Prüfung als „sicher“ anzusehen.

Bei den neuen Genome Editing-Verfahren fehle diese Erfahrung. Deswegen sind sie nach dem EuGH-Urteil genau so zu regulieren wie ein GVO. Eine genom-editierte Pflanze unterliegt den gleichen Zulassungs- und Kennzeichnungsvorschriften wie eine gentechnisch veränderte. Mutationszüchtung mit zufälligen, im Einzelnen unbekannten Erbgut-Veränderungen gilt pauschal als sicher, weil das Verfahren schon lange genutzt wird. Genome Editing, das auf einer präzisen Mutation an einem genau bekannten Ort im Genom beruht, stuft der EuGH als „neuartig“ und die damit gezüchteten Pflanzen - solange nicht das Gegenteil bewiesen ist - als unsicher ein. Allerdings ist das EuGH-Urteil keine wissenschaftliche Expertise, sondern eine juristische Interpretation geltender Gesetze, die vor 25 Jahre entstanden sind und den damaligen, inzwischen längst überholten Stand der Wissenschaft wiedergeben.

Noch mehr Verwirrung stiftete ein Urteil des Französischen Gerichtshofs. Im Februar 2020 entschied er, auch Pflanzen aus klassischer Mutagenese seien ohne Abstriche als GVO einzustufen. Die Ausnahme von den besonderen GVO-Kennzeichnungs- und Zulassungsvorschriften, wie sie der EuGH der klassischen Mutationszüchtung zugestanden hatte, sollen nun in Frankreich nicht mehr zulässig sein. Doch umsetzen lässt sich dieses Urteil kaum: Seit Jahren sind tausende von Pflanzensorten in Gebrauch, bei denen die Mutationszüchtung eine Rolle gespielt hat. Identifizieren lassen sich solche Sorten nicht. Rechtssicherheit für Züchter, Landwirte und Konsumenten wird es nur geben, wenn die gesetzlichen Vorschriften endlich dem Stand der Wissenschaft entsprechen.

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