Wilde Pflanzenarten werden unser Überleben sichern

Biodiversität nutzbar machen

16.08.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Am IPK Gatersleben werden ca. 151.000 verschiedene Kulturpflanzen und verwandte Wildformen erhalten. Die Genbank des IPK zählt zu den zehn größten weltweit und ist die größte in Westeuropa. (Quelle: © M. Nagel | www.ipk-gatersleben.de)
Am IPK Gatersleben werden ca. 151.000 verschiedene Kulturpflanzen und verwandte Wildformen erhalten. Die Genbank des IPK zählt zu den zehn größten weltweit und ist die größte in Westeuropa. (Quelle: © M. Nagel | www.ipk-gatersleben.de)

„Die Zeit sei reif“, schreiben Wissenschaftler in ihrem Kommentar „Feeding the future“ im Fachmagazin Nature. Um die Weltbevölkerung auch in Zukunft ernähren zu können, müsse sich die Menschheit die fast unendlichen Möglichkeiten der Biodiversität zunutze machen. In drei Schritten soll das gelingen.

Die Weltbevölkerung wächst und mit ihr das Einkommen der Menschen. Doch nicht nur das stellt die Landwirtschaft vor neue Herausforderungen. Auch der Klimawandel, die zunehmende Schädigung des Bodens sowie Wasser- und Landknappheit tragen ihr Übriges dazu bei: „In den nächsten 25 Jahren werden wir die Verfügbarkeit von Lebensmitteln verdoppeln müssen, um mit den Veränderungen auf der Welt überhaupt noch Schritt halten zu können“, schreiben Susan McCouch und ihre Kollegen in einem Kommentar der „Nature“-Ausgabe Juli 2013. Sie nehmen Bezug auf das internationale Treffen zur Genomik von verwandten Wildformen unserer Kulturpflanzen in Asilomar, Kalifornien, im Dezember 2012. Zu den Teilnehmern und Organisatoren des Meetings zur Zukunft der Pflanzenforschung und Züchtungsforschung gehörte auch Dr. Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomdiversität am IPK Gatersleben und Prof. Dr. Ulrich Schurr, Leiter des Instituts für Pflanzenwissenschaften (IBG-2) am Forschungszentrum Jülich. Von den ungefähr 300.000 verschiedenen Blütenpflanzenarten nutze die Menschheit bisher nur ein knappes Dutzend, um 80 % ihres Kalorienbedarfs zu decken. Die beeindruckende genetische Vielfalt der allermeisten Arten liege bisher brach – und das müsse sich ändern, fordern die Autoren.

Genbanken – die Schatzkammern der Erde

Die Basis dafür wurde längst geschaffen. In mehr als 1.700 Genbanken weltweit warten Samen von tausenden Kulturpflanzen und deren wilden Verwandten darauf, ihre vorteilhaften Eigenschaften in die Pflanzenzucht einzubringen. Auch Samen von tausenden von „primitiven“ Varianten, sog. Landsorten, aber auch von modernen Kulturpflanzen, die nicht mehr angepflanzt werden, stehen Züchtern dort zur Verfügung. Als Landsorten bezeichnet man Pflanzenarten, die sich in einem Gebiet ohne systematische Züchtung gebildet haben. Sie zeichnen sich oft durch besondere Anpassungen an die Umweltverhältnisse des Entstehungsgebietes aus.

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Die wilde Reisart Oryza nivara wurde in den 1970 Jahren in moderne, tropische Sorten Asiens eingekreuzt.  Sie verlieh dem Kulturreis Widerstandskraft gegen das Rice Grassy Stunt Virus, das zu hohen Ernteausfällen führen kann.

Die wilde Reisart Oryza nivara wurde in den 1970 Jahren in moderne, tropische Sorten Asiens eingekreuzt.  Sie verlieh dem Kulturreis Widerstandskraft gegen das Rice Grassy Stunt Virus, das zu hohen Ernteausfällen führen kann.

Bildquelle: © Fyle / Fotolia.com

Wilder Reis als Retter

Wie groß der Nutzen dieser unkultivierten Sorten sein kann, zeigte sich bereits in den 1970er Jahren am Beispiel von Reis. Oryza nivara, eine wilde Reisart, wurde entdeckt nachdem mehr als 6.000 Genbank-Spezies gescreent worden waren. In moderne, tropische Sorten Asiens eingekreuzt, verlieh diese wilde Reisart dem Kulturreis Widerstandskraft gegen das Rice Grassy Stunt Virus, das zu hohen Ernteausfällen führen kann. Eine große Hürde gilt es jedoch derzeit noch zu überwinden, wenn es darum geht, die nahezu unendliche genetische Vielfalt der Genbanken auszuschöpfen: Man muss wissen, in welchen Samen welche Eigenschaften und Potentiale für die Landwirtschaft verborgen liegen.

Potential für Züchter liegt brach

Trotz der phänomenalen Errungenschaften in der Vergangenheit stagniere die konventionelle Pflanzenzucht seit den 1990ern, berichten die Forscher um McCough. Wilde Verwandte unserer Nutzpflanzen, sowie Landsorten und unkultivierte Wildarten stellten zwar eine wertvolle Quelle für neue landwirtschaftliche Nutzpflanzen dar, aufgrund der langen Versuchs- und Zuchtzeit war es aber vor allem für Züchter aus dem privatwirtschaftlichen Sektor bisher nicht wirklich interessant, auf wilde Pflanzen als Kreuzungspartner zurückzugreifen. Für den größten Teil der eingelagerten Wildsamen in den Genbanken gibt es außerdem bisher nur unzureichende genetische und phänotypische Informationen, was den Züchtern ihre Arbeit erschwert. Dabei sind Wildpflanzen unseren Kulturpflanzen oft in vielen Dingen überlegen, denn sie haben extreme Umweltherausforderungen immer wieder überlebt und sich angepasst. Die Grundlagen ihrer Belastbarkeit und Anpassungsfähigkeit seien bisher aber weitgehend unbekannt und ungenutzt, so die Autoren. Dabei seien wir technisch bereits durchaus in der Lage, auf Basis ihres Genoms das agronomische Potential und die Eigenschaften einer Pflanze vorherzusagen.

Wie könnte man also die gesamte Biodiversität nutzen, um die Lebensgrundlage aller Menschen dieser Welt zu sichern?

Dazu schlagen die Autoren ein Programm in drei Schritten vor:

Schritt 1:

Zunächst sollten so viele Sequenzdaten wie möglich von allen Pflanzenvertretern, die in den Genbanken eingelagert sind, erstellt werden - das sind etwa zwei Millionen. Dank der in den letzten Jahren extrem gefallenen Kosten für DNA-Sequenzierungen sei das finanziell machbar, so die Autoren. Anhand ihres Erbgutes könnte man die Pflanzen in Gruppen zusammenfassen, die wiederum die Basis für tiefergehende Analysen darstellten. Zusammen mit Daten zum Fundort und dem natürlichen Lebensraum der betreffenden Pflanze ließen sich so bereits wertvolle Rückschlüsse auf das genetische Potential einer Pflanze schließen.

Schritt 2:

In einem zweiten, kosten- und zeitintensiven Schritt wollen die Wissenschaftler die Phänotypen der Genbank-Pflanzen analysieren, um deren Eigenschaften und Gesamtleistung zu dokumentieren. „Das wird uns wahrscheinlich selbst mit Hochdurchsatz-Phänotypisierungs-Technologien nicht mit allen Pflanzen an allen relevanten Standorten gelingen“, räumen die Forscher ein. Um die Pflanzenzucht dennoch schneller, effizienter und kostengünstiger zu gestalten, schlagen sie vor, Sequenzdaten der Pflanzen mit phänotypischen, ökologischen und geographischen Daten zu kombinieren. So könnten Wissenschaftler Feldexperimente strategisch planen und Modelle entwickeln, die in der Lage sind, die Effizienz der Pflanzen vorherzusagen.

Schritt 3:

In einem dritten Schritt sollten alle Daten international verfügbar gemacht werden, um die Biodiversität der Genbanken für jedermann nutzbar zu machen, so die Autoren. An einer zentralen Stelle sollten alle verfügbaren Daten zu den Samen zusammen mit Informationen über Lebensraum, genomischen Hintergrund und Phänotyp der betreffenden Pflanze abgerufen werden können. Dass ein solches Projekt durchaus realistisch umsetzbar ist, zeige die Global Biodiversity Information Facility (GBIF). Die GBIF ist ein Online-Netzwerk, das sich zum Ziel gesetzt hat, wissenschaftliche Daten und Informationen zur weltweiten Artenvielfalt in digitaler Form über das Internet frei und dauerhaft verfügbar zu machen. Die komplexen genetischen Daten, die die Autoren von den Analysen der über 2 Mio. Samen erwarten, könnten von dieser Organisation allerdings nicht verwaltet werden.

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Was ist eine Genbank?
In der Obstgenbank des Julius Kühn-Institutes in Dresden-Pillnitz wachsen mehr als 800 Apfelsorten und auch viele Wildarten. Wie kann man all diese Apfelarten und -sorten erhalten und wozu macht man das? (Quelle: www.biosicherheit.de)

Hand in Hand für die ärmsten der Welt

Wenn alle drei Schritte umgesetzt sind, sei es außerdem wichtig, die Ergebnisse der genomischen und agronomischen Forschungsarbeiten vor allem denjenigen zugänglich zu machen, die neue Nutzpflanzen kreieren. Ein internationales Netzwerk aus Wissenschaftlern sowohl aus privaten Industriezweigen als auch aus öffentlichen Institutionen sollte Hand in Hand arbeiten, um Landwirten und kommerziellen Pflanzenzüchtern Samen und Pflanzen zur Verfügung zu stellen. Diese würden dann an verschiedenen Standorten auf ihre Widerstandsfähigkeit und Ernteerträge hin überprüft. Dabei sollte die Wissenschaftsgemeinde ein besonderes Augenmerk darauf richten, dass Pflanzen auch an die Bedürfnisse der ärmsten Landwirte angepasst werden.

Ein riesiger finanzieller Aufwand?

Pro Jahr würden all diese Aktivitäten etwa 200 Mio. US-Dollar kosten, so schätzen die Autoren. Ob das viel sei? „Wir haben drei Milliarden für die Sequenzierung des menschlichen Genoms ausgegeben. Neun Milliarden kostete uns der Teilchenbeschleuniger im Kanton Genf in der Schweiz (plus eine Milliarde jährlich für die laufenden Kosten) und für einen einzigen Kampfjet können wir bis zu 180 Mio. US-Dollar ausgeben“, so die Wissenschaftler. Sie schließen ihren Kommentar mit einem Zitat des Ökologen Charles Godfray: „Wenn wir keine Nahrung mehr produzieren können, können wir gar nichts mehr produzieren.“

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