Klimaresiliente Pflanze

Klimaresiliente Pflanzen: Was bringt die Gen-Schere CRISPR/Cas?

Dürren und Starkregen haben die Arbeit von Landwirten schon immer erschwert. Der aktuelle Bericht des Weltklimarates IPCC zeigt aber klar, dass solche Wetterereignisse mit zunehmender Klimaerwärmung häufiger werden. Keine Region bleibt verschont, auch nicht Europa. Die neuen Genome Editing-Verfahren könnten eine Schlüsselrolle dabei spielen, robuste Pflanzen zu züchten, die dem Klimawandel trotzen – Wunder kann aber auch die Gen-Schere nicht vollbringen.

Die vergangenen Jahre lassen erahnen, was die Zukunft bereithält: Ein insgesamt unbeständigeres Wetter mit späten Frösten, Dürren, Dauerregen oder Hitzeperioden. Die Landwirtschaft stellt das vor besondere Herausforderungen, denn viele Nutzpflanzen sind nur eingeschränkt anpassungsfähig. Ideal wären widerstandsfähigere Pflanzen, die trotz schwankender Umweltbedingungen hohe Erträge liefern.

Die Bedingungen sind heute aber trotz technischer Fortschritte schwierig: Der Klimawandel führt nicht nur zu häufigeren und intensiveren Wetterereignissen, sondern trägt auch zur Landdegradierung bei. Es müssen global betrachtet also immer mehr Menschen auf endlichen oder sogar abnehmenden Anbauflächen ernährt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass viele der heutigen Hochleistungs-Nutzpflanzen genetisch verarmt sind: Durch die Jahrtausende lange, einseitige Fokussierung auf hohe Erträge sind andere wertvolle Eigenschaften wie etwa natürliche Resistenzen gegen Schädlinge oder aber Anpassungen an Trockenheit oft verloren gegangen. Eigenschaften, die in Wildpflanzen vorhanden waren, und die man Kulturpflanzen heute wieder einfügen möchte.

Um ertragreiche und zugleich robuste Nutzpflanzen zu züchten, kommen alle heute zur Verfügung stehenden Methoden zum Einsatz, also Kreuzungs- und Mutationszüchtung, klassische Gentechnik und auch Genome Editing. Um die Vorteile dieser neuen Verfahren einordnen zu können, ist ein kurzer Vergleich mit den anderen Zuchtmethoden hilfreich.

Mehr oder weniger zufällig: Die Verfahren der Pflanzenzüchtung im Überblick

Großes Foto oben: iStock

  • Bei der Kreuzungszüchtung wählt man Pflanzen mit interessanten Eigenschaften aus und kreuzt diese, um Nachkommen mit einer Kombination dieser Merkmale zu erhalten. In der Regel haben Nachkommen aber nicht nur die erwünschten Eigenschaften, sondern auch negative Merkmale, so dass sich langwierige Rückkreuzungen anschließen. Hinzu kommt, dass manche, dicht beieinander liegende Gene, nur gemeinsam weitervererbt werden, eine positive also untrennbar mit einer negativen Eigenschaft gekoppelt sein kann, sich also nicht herauskreuzen lässt. Kreuzungen funktionieren deshalb, weil die äußeren Unterschiede zwischen einzelnen Pflanzen zu einem erheblichen Anteil auf Unterschiede im Erbgut zurückzuführen sind. Die so genannte genetische Variabilität ist damit das wesentliche Ausgangsmaterial für jeden Züchter.
  • Bei der Mutationszüchtung wird die genetische Vielfalt des Pflanzenerbguts künstlich erhöht, indem unter Verwendung chemischer Mutagene oder Bestrahlung Mutationen, also genetische Veränderungen, herbeigeführt werden – meist mehrere Zehntausend, zufällig im gesamten Genom verteilt. Auch diese Methode braucht viele Jahre, denn die so behandelten Pflanzensamen müssen später auf ihre Pflanzeneigenschaften untersucht und unerwünschte Merkmale wieder herausgekreuzt werden.
  • Mit der klassischen Gentechnik, also dem Einbringen eines Gens für eine gewünschte Eigenschaft, ist ein deutlich gezielteres Vorgehen möglich, das theoretisch auch Zeit einsparen könnte, da Rückkreuzungen wegfallen. Die Vorteile kommen aber zumindest in der EU nicht zur Geltung, da die Methode umstritten ist und zu strengen Vorschriften bis hin zu Verboten für transgene Pflanzen geführt hat.
  • Genome Editing, insbesondere CRISPR/Cas, erlaubt erstmals punktgenaue kleine und größere Eingriffe in das Erbgut. Zu verdanken ist das auch den enormen Fortschritten in der Sequenzierungstechnologie und den damit stetig wachsenden Kenntnissen über Pflanzengenome. Züchter brauchen sich nicht mehr auf den Zufall zu verlassen, sondern können Veränderungen gezielt ausschließlich in interessanten Genregionen vornehmen. Obendrein können Gene adressiert werden, die man mit Kreuzungen nicht erreicht: Bei gekoppelt vererbten Genen können etwa jene mit ungünstigen Eigenschaften ausgeschalten werden.

    Da keine weiteren, unerwünschten Veränderungen eingebracht werden, fallen die langjährigen Rückkreuzungen weg. Je nach Kulturpflanze beträgt die Zeitersparnis bis zu zehn Jahren. Das gezielte Vorgehen beschleunigt die Zucht also erheblich und erlaubt somit eine schnellere Anpassung der Kultursorten. Wie jede neu gezüchtete Sorte, werden auch mit CRISPR/Cas erzeugte Pflanzen aber eingehend kontrolliert, bevor sie angebaut werden dürfen.

Weniger anfällig gegen Pflanzenkrankheiten

Wissenschaftler erwarten im Zusammenhang mit der Erderwärmung auch ein verändertes Spektrum an Pflanzenkrankheiten und – schädlingen. So wird CRISPR/Cas bereits erfolgreich eingesetzt, um Resistenzen gegen pathogene Viren, Bakterien und Pilze zu erzeugen: Etwa Tomaten, die gegen den Mehltau-Pilz resistent sind, Reis gegen Bakterienbrand, Gurken, die dem Vergilbungsvirus trotzen und Kartoffeln, die widerstandsfähiger sind gegen Kartoffelfäule, eine weltweit gefürchtete Pilzerkrankung. Auch Kakao, Raps, Mais, Banane, Wein und Weizen sollen mithilfe der Gen-Schere robuster gegen bestimmte Krankheiten werden.

Wissenschaftler konzentrieren sich dabei meist auf jene Gene, die für die Anfälligkeit gegen Krankheiten verantwortlich sind. Meist werden diese mithilfe der Gen-Schere ausgeschaltet. Selbst Pflanzen mit sehr komplexen Genomen, also 4, -6- oder sogar 8-fachem Chromosomensatz, etwa hexaploider Weizen oder oktoploide Erdbeeren können mit der Gen-Schere erfolgreich verändert werden.

Die Gen-Schere wird mittlerweile aber auch im Promotor-bereich eingesetzt, also der regulierenden Region, die auf dem DNA-Strang vor dem eigentlichen Gen liegt. Steuert man diesen Bereich mit der Gen-Schere an, wird das Gen nicht einfach ausgeschaltet, sondern es fällt zum Beispiel einer von mehreren Transkriptionsfaktoren aus, weil die Bindestelle verändert wurde. Dadurch wird das Gen etwa hoch- oder herunterreguliert, also mehr oder weniger Protein hergestellt, und man erhält zum Beispiel Unterschiede in der Größe oder der Anzahl der Früchte oder auch in der Trockenheitstoleranz.

Das Vorgehen ähnelt in diesem Fall also der Mutationszüchtung: Es wird ausprobiert, was passiert, wenn man unterschiedliche Stellen im Promotor verändert oder anders ausgedrückt: wenn man die genetische Variabilität des Promoters erhöht. Mit dem Unterschied, dass die Mutationen in einem eng begrenzten Erbgutabschnitt eingeführt werden und nicht im ganzen Genom, was die Effizienz erhöht.

Auf diese Art und Weise wurde etwa eine Maispflanze erzeugt, die Trockenheit besser toleriert. Dazu wurde der Promotor des Gens ARGOS8 so verändert, dass er fortlaufend aktiv ist, das Gen also permanent abgelesen wird.

Robuste Wildpflanzen in Kulturpflanzen umwandeln

Bei komplexen Merkmalen wie der Trockenheits- oder der Salzresistenz stößt aber auch die CRISPR-Technologie an ihre Grenzen. Denn solche Merkmale werden durch Gen-Netzwerke reguliert, häufig sind Transkriptionsfaktoren involviert, die in mehreren Stoffwechselwegen eine Rolle spielen. Verändert man einen solchen Faktor ist das selten zielführend, weil man sich meist andere Probleme in Form unerwünschter Eigenschaften einhandelt. Die Gen-Schere hilft jedoch, das Wissen über Gen-Funktionen zu erweitern, indem etwa Mutationsreihen in Schlüsselgenen durchgeführt werden.

Was Trockenheits- oder Salztoleranz anbelangt, könnte sich ein anderer Weg als effizienter erweisen: In der Natur existieren zahlreiche Wildpflanzen, mit vorteilhaften Eigenschaften, die niemals domestiziert wurden, obwohl sie das Potenzial als Nutzpflanze hätten. „Hochgezüchtete Kulturarten, die ihre genetische Variabilität weitgehend verloren haben, hitzeresistent zu machen, ist ein schwieriges Unterfangen. Stattdessen sollten wir uns Pflanzen anschauen, die schon hitzeresistent sind und sie mithilfe von CRISPR/Cas in ertragreiche Kulturarten umwandeln“, erklärt Holger Puchta vom Karlsruher Institut für Technologie. So sind mittlerweile ein großer Teil der Schlüsselmutationen, die zu größeren Früchten und einem hohen Ertrag geführt haben, bekannt.

Mehrere Forschergruppen arbeiten bereits daran, den Ertrag sogenannter Orphan crops, also Nutzpflanzen, die auf dem Weltmarkt und in der Wissenschaft eine eher untergeordnete Rolle, mithilfe von CRISPR/Cas zu erhöhen. Dazu gehören etwa Maniok, Hirse oder Teff, ein nahrhaftes und widerstandsfähiges Getreide aus Äthiopien. Im Idealfall würden Orphan crops oder Wildpflanzen mithilfe der Gen-Schere innerhalb von Jahren statt Jahrzehnten zu ertragreichen Kulturpflanzen, deren natürlichen Resistenzen gegen biotische und abiotische Faktoren bewahrt wurden.

Genome Editing ist kein Wunderwerkzeug, das alle Hürden der Pflanzenzucht beseitigen kann. Aber die offensichtlichen Vorteile der Methode, das gezielte Vorgehen und die beschleunigte Zucht interessanter Sorten, machen sie unverzichtbar.

Vergleich von Mutationsraten:
Die natürliche Mutationsrate in Pflanzen variiert in Abhängigkeit der Umweltbedingungen wird aber auf etwa eine Mutation pro 150 Millionen Basenpaaren (Mbp) geschätzt. Das heißt, zwei Reispflanzen (Genomgröße 430Mbp) unterscheiden sich im Durchschnitt in etwa 3 Mutationen, zwei Weizenpflanzen (Genomgröße 16 Milliarden Bp) in rund 100 Mutationen.
Die klassische Mutagenese durch Strahlung oder Chemikalien erhöht die Mutationsrate etwa um das 1000fache. Hier findet man also etwa alle 100 000 bis 250 000 Basenpaare eine Mutation. Das macht bei Reis mit seinem kleinen Genom rund 2000 bis 4300 Mutationen aus, bei Weizen mit seinem Riesengenom zwischen 60 000 und 160 000 Mutationen aus.
Wie oft es bei der gerichteten Mutagenese mit CRISPR-Cas zu Fehlschnitten (off-targets), also Mutationen kommt, hängt entscheidend von der guideRNA ab. Meist wird die 20 Basen lange Sequenz so gewählt, dass sie sich an vier oder mehr Stellen von anderen Sequenzen im Genom unterscheidet, so dass ungewollte Schnitte nur sehr selten vorkommen. Bei Weizen sind das etwa 5 bis 6 Mutationen, bei kleineren Genomen entsprechend weniger.
Genome Editing: Bleibt die EU ausgeschlossen?
Genom-editierte Pflanzen, deren Erbgut-Veränderungen auch natürlich hätten entstehen können, die also kein fremdes Erbmaterial in sich tragen, sondern deren Veränderung nur einzelne oder wenige Basenpaaren betreffen, sind mittlerweile in etlichen Ländern herkömmlich gezüchteten Pflanzen gleichgesetzt und gelten dort nicht als GVO. In der EU hingegen fallen genom-editierte Pflanzen unter die Gentechnik-Gesetze. Freilandversuche mit editierten Pflanzen sind deswegen derzeit kaum möglich, der Anbau solcher Pflanzen defacto in fast allen EU-Ländern verboten. Ob die EU diese Vorschriften überarbeitet und an den Stand der Wissenschaft anpasst, ist derzeit offen.

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