Grundkenntnisse der Pflanzenzüchtung

Möchte man einen allgemeinen Überblick in die Pflanzenzüchtung gewinnen, so sollte man sich an folgenden Themengebieten orientieren: Verschiedene Züchtungsmethoden, Einblicke in Labor- bzw. Gentechnik und die fünf übergeordneten Zieldefinitionen der Pflanzenzüchtung (Ertragssteigerung, Anpassungsfähigkeit, Qualitätssteigerung, bessere Stoffaufnahme und Resistenzen)

Geschichte

Der Beginn des Anbaus von Pflanzen und somit auch der Pflanzenzüchtung begann vor rund 12.000 Jahren in Mesopotamien (heute größtenteils Irak) mit Gerste (Hordeum vulgare) sowie Emmer (Triticum dicoccum) und Einkorn (Triticum monococcum), den Urformen des Weizens (Triticum aestivum), später auch Roggen (Secale cereale). Hier wurden erstmals gezielt Pflanzen der genannten Arten ausgewählt und unter kontrollierten Bedingungen angebaut.

Seit etwa 5.500 vor Chr. ist der Anbau von Getreide auch in Mitteleuropa bekannt. Mittels Auslese (Selektion) der ertragreichsten Individuen und Einkreuzung von weiteren Wildgrasarten entwickelten sich nach und nach die bekannten Getreidesorten. Um den Ertrag weiter zu verbessern, wurden Anbaumaßnahmen wie Düngung, Bewässerung und Beseitigung von Unkraut  eingesetzt.

Trotzdem gab es immer wieder Ernteausfälle durch Trockenheit, Schädlingsbefall oder Pflanzenkrankheiten und in der Folge schwere Hungersnöte (z. B. die Kartoffelfäule im 19. Jahrhundert in Irland durch den Pilz Phytophthora infestans, in deren Folge bis zu eine Million Menschen verhungerten).

Im Laufe des 18. Jahrhunderts wurden im Zuge der Aufklärung sowie des Beginns der modernen Naturwissenschaften Institute gegründet, die sich der Zucht und dem Anbau von Nutzpflanzen (also Pflanzen, die der Ernährung, der Rohstoffgewinnung, der Gesundheit oder als Zierpflanzen dienen) widmete. Die Pflanzenzucht war zu der Zeit noch ein Teilgebiet des Pflanzenbaus, bis sie sich im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts abspaltete. 

Im Laufe der Fünfziger Jahre entwickelte sich die sogenannte Grüne Revolution. Mit den modernen Methoden der Pflanzenzüchtung (Bezeichnung seit den 50ern: Pflanzenproduktion) wurden die ersten Hochertragssorten erzeugt (u. a. Reis, Mais, Hirsen, Kartoffeln, Soja), die bei geringerem Düngereinsatz gute Erträge brachten. Ab den Sechzigern wurden diese Sorten in den Entwicklungsländern erfolgreich angebaut, so dass man heute davon ausgeht, dass durch den höheren Ertrag zum einen die Ernährungssituation deutlich verbessert und die Kindersterblichkeit gesenkt werden konnte, zum anderen auch weniger Anbaufläche benötigt wird. Als Nachteile der Grünen Revolution nennen Kritiker eine vermehrte Auslaugung und Versalzung des Bodens sowie eine Absenkung des Grundwassers infolge erhöhten Wassereinsatzes.

Die nächste Revolution in der Pflanzenzüchtung gab es im Laufe der Achtziger Jahre: Die Grüne Biotechnologie verwendet Erkenntnisse und Methoden aus verschiedenen Biowissenschaften, um über Pflanzen Wirkstoffe zu produzieren oder Enzyme zu gewinnen. Der bekannteste Bereich ist die Grüne Gentechnik, bei der mit Labormethoden in das Erbgut von Pflanzen eingegriffen wird, um deren Eigenschaften zu verbessern. Ihr Einsatz ist vor allem in Europa umstritten, weil unkontrollierbare Auswirkungen auf die Umwelt und den Menschen befürchtet werden.

Pflanzenzüchtung

Züchtung bedeutet eine bewusste Auswahl und Kreuzung zweier Individuen (hier: Pflanzen) mit erwünschten Eigenschaften. Die durch die Kreuzung entstandene Tochtergeneration, die die erwünschten Eigenschaften beider Elternteile besitzt, wird anschließend vermehrt. Dabei geht es nicht um eine evolutive Anpassung, sondern darum, die Eigenschaften der Pflanze den Wünschen der Menschen anzupassen. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es verschiedene Vorgehensweisen:

Selektive Züchtung

Dies ist die älteste Form der Pflanzenzüchtung. Hier werden Pflanzen mit verschiedenen Eigenschaften (unterschiedlichen Genotypen) gemeinsam angebaut, so dass sie sich auf natürliche Weise fortpflanzen können. Aus den entstandenen F1-Generationen werden diejenigen mit den gewünschten Eigenschaften ausgewählt (positive bzw. negative Massenselektion, d. h. positiv - die Pflanzen mit den erwünschten Eigenschaften werden ausgewählt, negativ - die Pflanzen mit unerwünschten Eigenschaften werden entfernt) und wiederum zusammen angebaut, bis sich innerhalb einer Pflanze möglichst viele dieser Eigenschaften wiederfinden (Zuchtziel). Sie sind dann größtenteils reinerbig (homozygot).

Kombinationszüchtung

Die Kombinationszüchtung ist die heutzutage häufigste Zuchtform und eine Weiterführung der Selektionszüchtung. Hier werden von vorneherein ausgewählte, reinerbige Elterngenerationen gezielt eingesetzt, um Nachkommen mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Da alle Nachkommen reinerbiger Eltern in der F1-Generation nach der ersten Mendelschen Regel gleich (uniform) sind, kann erst bei der F2-Generation selektiert werden. Die besten Züchtungen werden wiederum durch spezielle Techniken (z. B. Selbstbefruchtung) und anschließende Selektion weiterentwickelt, bis sie selbst reinerbig sind (Linienzüchtung). Nach verschiedenen Prüfungen werden sie anschließend als neue Sorten angemeldet. Eine Variante ist die sogenannte Populationszüchtung (Anwendung z. B. bei Kohlsorten). Hier wird nicht auf das Genom eines Individuums selektiert, sondern es soll der Genpool einer Population verbessert werden. Dazu werden mehrere  Pflanzen ausgewählt, welche die gewünschten Eigenschaften haben. Sie bilden die Basis einer neuen Population, die anschließend vermehrt wird, wobei hier keine Selbstbefruchtung erwünscht ist, sondern eine möglichst umfassende Befruchtung durch andere Individuen der Population (Fremdbefruchtung). Die entstehenden Pflanzen dieser Populationssorte sind in der Regel heterozygot.

Klonzüchtung

Hier werden geeignete Pflanzen der F1-Generation mit den gewünschten Eigenschaften vegetativ, also z. B. durch Stecklinge, vermehrt. Es entstehen Pflanzen, die alle ein identisches Genom haben (sogenannte Klone). Wird z. B. bei Kartoffeln angewendet.

Hybridzüchtung

Hybridzüchtungen entstehen meist durch Kreuzung zweier nahezu homozygoter Inzuchtlinien (Populationen, die durch fortlaufende Kreuzung von Individuen der gleichen Linie (Inzucht) stark auf bestimmte Eigenschaften selektiert werden, wodurch aber oftmals ihre Fruchtbarkeit herabgesetzt wird). Deren jetzt mischerbige Tochtergenerationen besitzen die gewünschten Eigenschaften der P-Generation und sind zusätzlich hochertragreich. Dies bezeichnet man als Heterosiseffekt. Er bedeutet, dass die mischerbige F1-Generation vitaler und auch genetisch variabler ist als ihre Elterngeneration. Der Heterosiseffekt bleibt allerdings nur bei einer Generation erhalten. 

Mutationszüchtung

Hier wird Saatgut gezielt mutagener Strahlung (Röntgenstrahlung) ausgesetzt. Durch die unkontrolliert erfolgenden Mutationen entstehen neue Genvarianten mit eventuellen neuen, positiven Eigenschaften, die für die Züchtung genutzt werden können. Dennoch ist ein großer Teil der entstehenden Mutationen unbrauchbar, weil die Gendefekte häufig die Lebensfähigkeit der Pflanze vermindern.

Präzisionszucht (smart breeding)

Hier wird anhand des entschlüsselten Genoms analysiert, welcher Partner der passende ist, um auf kürzestem Wege zu der Pflanze mit den gewünschten Eigenschaften zu kommen. In das Genom beider Elternteile wird nicht eingegriffen, folglich entstehen hierbei keine transgenen Organismen. 

Gentechnik

Gentechnik bezeichnet Verfahren, mit denen gezielt in das Erbgut eines Lebewesens eingegriffen wird. Damit können bestimmte gewünschte Eigenschaften statt durch züchterische Auslese, die über den Phänotyp stattfindet, direkt im Genom eingebaut werden oder auch neue Eigenschaften hinzugefügt werden. Der Vorteil ist die deutlich kürzere Zeit zum Erreichen eines Zuchtziels, der Nachteil der hohe technische Aufwand sowie die möglicherweise unkontrollierbaren Folgen bei einer ungewollten Freisetzung. Allen Verfahren gleich ist das vorangehende Entschlüsseln des Genotyps. Gentechnische Verfahren bei Pflanzen werden als Grüne Gentechnik bezeichnet.

Transgene Pflanzen

Lebewesen, bei denen das Erbgut zielgerichtet verändert wird, werden als transgen bezeichnet. In genauerer Definition bezeichnet transgen eigentlich ein in einen Organismus künstlich eingebrachtes, artfremdes Gen. Die bekanntesten transgenen Pflanzen sind heutzutage gentechnisch veränderter Mais (z. B. „MON 810“), Kartoffeln („Amflora“), Soja, Baumwolle und Raps. 

Ziele der Gentechnik

Gentechnik hat zum einen die Verkürzung der Zeit zur Erreichung eines Zuchtziels zur Folge, zum anderen eröffnet sie die Möglichkeit, den Pflanzen Eigenschaften zu verleihen, die man auf herkömmlichem Weg nicht erreichen kann. Gentechnische Verfahren werden vor allem eingesetzt, um bei Pflanzen Resistenz gegen verschiedene Krankheiten oder Schädlinge zu erreichen, die Erträge zu steigern oder die Anpassung an die gegebenen Verhältnisse (Wasserknappheit, Nährstoffmangel) herzustellen.

Labortechniken

Zellkulturen

Durch das Kultivieren von speziellen, meristematischen Gewebeteilen können ganze Pflanzen regeneriert werden. Im Labor können so sehr schnell aus einer Pflanze bis zu 10.000 Nachkommen gezogen werden, die alle dieselben Eigenschaften besitzen. 

Durch Freilegung des Zellinneren (Protoplast) einer Pflanzenzelle kann diese mit dem Protoplasten einer anderen Zelle verbunden und die genetischen Eigenschaften so kombiniert werden (Protoplastenfusion). Das macht man sich vor allem bei schwer kreuzbaren Arten zunutze.

Über Zellkulturen lassen sich homozygote, diploide Pflanzen aus dem haploiden Chromosomensatz von generativen Pflanzenzellen (Zygoten, Pollen) ziehen, indem man die Chromosomen durch DNA-Replikation  verdoppelt. Vorteil: Die aufwändige Züchtung einer homozygoten Sorte wird deutlich verkürzt.

Gentechnische Verfahren

Mit gentechnischen Verfahren können auch artübergreifende Kreuzungen vorgenommen werden. Die durch solche Kreuzungen eventuell entstehende Unfruchtbarkeit (wie z. B bei der Kreuzung Esel - Pferd) ist bei gentechnischen Verfahren deutlich verringert. Diese Verfahren können nur in Speziallabors durchgeführt werden. Hier gelten spezielle Sicherheitsvorkehrungen, die die unbeabsichtigte Freisetzung von gentechnisch veränderten Organismen (GVO) verhindern sollen.

Gentransfer

Das wohl bekannteste Verfahren ist der horizontale Gentransfer (Transformation). Dabei wird ein Gen, das eine bestimmte Eigenschaft codiert, in das Genom einer Pflanze eingeschleust und aktiviert. Das Einschleusen kann auf verschiedene Arten geschehen: 

Einschleusung über Agrobacterium tumefaciens: Die effektivste und häufigste Art des Gentransfers, sie wird allerdings am erfolgreichsten bei zweikeimblättrigen Pflanzen angewandt. A. tumefaciens ist ein Bakterium, das naturgemäß im Boden vorkommt. Es hat die Fähigkeit, mit Pflanzen Erbinformation auszutauschen, indem es in verletzte Pflanzenteile eindringt und dort ein Tumorwachstum auslöst, indem es seine DNA in das Pflanzengenom einbaut. Diese Fähigkeit des Bakteriums macht man sich in der Gentechnik zunutze: Das Bakterium hat neben der chromosomalen DNA noch weitere DNA-Stränge, die ringförmige, sogenannte Plasmid-DNA. Sie beinhaltet die tumorauslösenden Gene und wird vom Bakterium in die Pflanzen-DNA eingebaut. Hier werden die Gene mit der Information, die die Pflanze erhalten soll, gentechnisch eingearbeitet, während die Tumorwachstum bewirkenden Gene ausgeschaltet werden. Diese künstlich veränderten Plasmide werden als Vektoren bezeichnet. Sie werden anschließend in die Pflanze eingeschleust und beginnen dort, ihre Plasmid-DNA mit den gewünschten Genen in die Pflanze-DNA einzubauen. Die infizierten Teile der Pflanze werden anschließend isoliert und in Kultur gebracht, so dass aus ihnen vollständige Pflanzen heranwachsen, die jetzt einen veränderten Genotyp (und damit auch einen veränderten Phänotyp) aufweisen.

Eine weitere Möglichkeit ist das Beschießen der Pflanze mit winzigen Partikeln, auf denen die entsprechende DNA aufgetragen wurde (biolistisches Verfahren).

Ziele der Züchtung

Gezüchtet wird generell, um möglichst viele Individuen einer Art mit einem weitgehend einheitlichen Genom zu bekommen, das die gewünschten Eigenschaften enthält. Diese Eigenschaften sind in der Pflanzenzüchtung klassischerweise ein hoher Ertrag, eine gute Qualität, ein guter Geschmack, eine gewisse Genügsamkeit in Bezug auf Wasser, Nährstoffe und sonstige Standortansprüche sowie Resistenz gegenüber Krankheiten und Schädlingen.

Inhaltsstoffe

Hinzu kommt eine Fokussierung auf bestimmte Inhaltsstoffe, die in der Pflanze in hohem Maß produziert werden sollen, wie etwa die transgene Kartoffel ’Amflora’, die sich durch eine besonders hohe Stärkeproduktion auszeichnet. Diese Kartoffel ist nur für den industriellen Bedarf gezüchtet worden, sämtliche anderen Inhaltsstoffe, die bei Speisekartoffeln Nährwert und Geschmack ausmachen, wurden zugunsten der Stärkeproduktion vernachlässigt.

Ernährung

Vor allem mit Hilfe der Gentechnik wird versucht, Getreide auf bestimmte Inhaltsstoffe oder Ertragreichtum bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegenüber Nährstoff- und Wassermangel zu züchten, um damit Ernährungsprobleme in der Dritten Welt zu lösen. Beispiel ist der sogenannte Goldene Reis, der durch  Einbau zweier Gene einen hohen Provitamin-A-Gehalt aufweist, der den in der Dritten Welt verbreiteten Mangel zumindest teilweise beheben soll. Der Mangel an Provitamin A kann zur Erblindung und einer hohen Sterblichkeitsrate bei Kleinkindern führen. Kritisiert wird unter anderem an diesem Projekt, dass das Saatgut nicht patentfrei ist, dass also eventuell für die Bauern Gebühren anfallen.

Auch die Züchtung auf Salztoleranz soll der Sicherung der Ernährung dienen. Hier wurde bei Raps ein spezielles Gen eingebaut, das ein besonderes Protein für den Ionentransport codiert. Dadurch kann die Pflanze mit hoher Salzfracht besser umgehen als herkömmliche Züchtungen. Versalzung der Böden ist in viele Entwicklungsländern ein großes Problem.

Rohstoff/Energie

Ein weiteres Zuchtziel ist die Erzeugung von sogenannten ’Low-Input-Pflanzen’, die nur wenig Nährstoffe brauchen und geringe Ansprüche an den Boden haben, aber gleichzeitig gute Erträge bringen. Das ist besonders für die Erzeugung von Biosprit interessant. Mais als eine der wichtigen Pflanzen für die Bioethanolerzeugung ist ein sogenannter Starkzehrer, d. h er braucht viele Nährstoffe und belastet somit die Umwelt sehr stark. Auch wird an einer besseren Verfügbarkeit der Maisstärke geforscht, um eine höhere Effektivität bei der Herstellung von Bioethanol zu erreichen.

Umwelt-/Klimaschutz

Neben den Energiepflanzen, die in Zukunft zumindest einen Teil des herkömmlichen Kraftstoffbedarfs ersetzen könnten, werden mit gentechnischen Methoden vermehrt transgene Pflanzen entwickelt, die eine ’eingebaute Schädlingsresistenz’ besitzen. Das bekannteste Beispiel ist hier der transgene BT-Mais MON810.  Transgene Pflanzen können je nach Wunsch mit Herbizidresistenz oder mit Insektenresistenz ausgestattet werden.

Herbizidresistenz: Die Pflanze ist durch ein spezielles Gen resistent gegen Herbizide wie etwa Glyphosat, so dass Totalherbizide mit diesem Wirkstoff ausgebracht werden können, ohne dass die Pflanze davon beeinträchtigt wird

Insektenresistenz: Die Pflanze produziert selbständig Gifte gegen bestimmte Schädlinge. Am bekanntesten ist hier der sogenannte BT-Mais, benannt nach dem Bakterium Bacillus thuringiensis. Durch B. thuringiensis werden bestimmte Gene übertragen, die das Gift codieren. BT-Toxine werden auch in der ökologischen Landwirtschaft zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt. Neben dem BT-Mais gibt es auch BT-Baumwolle, die in vielen Ländern (USA, China, Indien) angebaut wird. Durch den Einsatz von BT-Pflanzen soll der Einsatz von  Insektiziden gesenkt werden.