Neue Pflanzen braucht die Welt

Von den über 300.000 bekannten Pflanzenarten werden nur etwa 200 kommerziell genutzt. Viel zu wenig, meinen einige Wissenschaftler, und fordern mehr Vielfalt auf den Äckern der Welt. Eine größere Diversität auf Feldern und Tellern soll die schädlichen Effekte des Klimawandels abfedern und genug Nahrung für eine wachsende Weltbevölkerung sicherstellen.  

Drei Pflanzenarten ernähren die halbe Menschheit: Reis, Weizen und Mais füllen weltweit hungrige Bäuche. Seit der ersten Grünen Revolution in den 1960er Jahren haben sich die Erträge bei diesen Feldfrüchten stark gesteigert. Die Landwirte ernten heute von der gleichen Ackerfläche doppelt oder dreifach so viele Körner wie vor der Züchtung der modernen Sorten.  

Doch während zu Beginn der Grünen Revolution die Ertragssteigerungen gewaltig waren, ist das inzwischen nicht mehr der Fall. Der jährliche Ertragszuwachs flacht ab oder stagniert bei Fruchtarten wie Weizen. Zudem sind neue Probleme dazugekommen. Von intensiver Landwirtschaft ausgelaugte Böden, Algenblüten in überstrapazierten Gewässern, Klimaextreme von Dürre bis Sturmflut, Rückgang von Bestäuberinsekten oder Nitrate im Grundwasser sind beispielhaft Probleme einer zu einseitig betriebenen Landwirtschaft und eines Missmanagements. Durch den Klimawandel, an dem auch die Landwirtschaft einen Anteil hat, sehen Landwirte ihre Ernte wahlweise vertrocknen oder davonschwimmen. Die Zeit ist also mehr als reif für eine zweite Grüne Revolution.

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In deren Mittelpunkt soll aber nicht nur die Verbesserung von bereits genutzten Feldfrüchten stehen, zumindest wenn es nach Michael Palmgren und seinen Kollegen von der Universität Kopenhagen und vielen anderen Forschern überall in der Welt geht. Vielmehr sollen auch bisher vernachlässigte Wildpflanzen durch schnelle und präzise Züchtung verbessert werden.  

Stickstoffhelden und Wurzelnetzwerker  

Besonders vielversprechend erscheinen dabei zwei Gruppen von Pflanzen. Zum einen die mehrjährigen Pflanzen, die oft ein ausgedehnteres Wurzelsystem aufweisen. Zum anderen stickstofffixierende Hülsenfrüchtler, die dank einer Symbiose mit Bakterien den lebensnotwendigen Stickstoff aus der Luft binden und deshalb weniger auf Stickstoff-Dünger angewiesen sind. Solche Pflanzen könnten auch auf nährstoffarmen Böden gedeihen, die bisher landwirtschaftlich nicht genutzt werden. Zudem sind Hülsenfrüchte reich an komplexen Kohlenhydraten und Proteinen und damit für die menschliche Ernährung bestens geeignet.  

Der Haken an der Sache: Züchtung dauert. Bereits die Verbesserung von bereits bestehenden Sorten geht nicht von heute auf morgen, sondern zieht sich über mehrere Jahre bis Jahrzehnte hin. Wenn zukünftig Wildpflanzen an ein Ackerleben in Reih und Glied gewöhnt werden sollen, dann sind noch wesentlich größere Veränderungen notwendig, die noch mehr Zeit in Anspruch nehmen.  

Damit die Züchter möglichst schnell vorankommen, schlägt Palmgren in einer aktuellen Veröffentlichung in „Trends in Plant Science“ vor, moderne Genom-Editierungsverfahren wie CRISPR/Cas9 einzusetzen. Mit den Genschere CRISPR/Cas können Gene zielgerichtet ausgeschaltet werden. Beim Einfügen oder Verändern von Genen hakt es bisher noch. Doch Forscher in vielen Forschungseinrichtungen der Welt tüfteln daran, diese Prozesse zu lösen.

Neben diesen technischen Hindernissen ist ein anderes hausgemacht: die unklare Gesetzeslage zur neuen Methode. Gilt Genom Editierung mit CRISPR/Cas als Gentechnik oder nicht? Solange diese Frage nicht klar beantwortet ist, ist zumindest der europäische Markt für solche Pflanzen so gut wie verschlossen.

Aber auch die Frage der Nutzungsrechte, also der Patente auf die Methode und deren Nutzung, ist nach wie vor offen. Zwar gab es Mitte Februar einen ersten Richterspruch. Ob man gegen das Urteil in Berufung geht, wird derzeit erwogen und ist auf Grund der Entscheidung sehr wahrscheinlich, denn es geht dabei um den wissenschaftlichen Ruhm und um Geld. Durch den bahnbrechenden Einfluss der Methode, um sehr viel Geld.   Hintergrund des Patentstreits ist, dass zwei Laboratorien, die University of California und das Broad Institute am Massachusetts Institute of Technology, dem MIT, unabhängig voneinander die Methode und deren Anwendung für sich beanspruchen. Sie haben diese als Patent 2012 eingereicht und das Patent erteilt bekommen. Nach der aktuellen Entscheidung des Gerichts in den USA, wäre es wahrscheinlich, dass für eine Nutzung der Methode künftig zwei Patente eingeholt werden müssten. Eines für das grundlegende Prinzip und damit sämtliche Anwendungen der Genom Editierung mittels CRISPR/Cas9 und eines, welches sich für die Anwendung auf alle höheren Zellen beschränkt. Damit sind eukaryotische Zellen gemeint und somit sämtliche Anwendungen in der Medizin, bei Tieren und bei Pflanzen. Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna hatten das Verfahren der punktgenauen Genschere erfolgreich erstmals im Ursprungssystem, den Bakterien angewendet und damit eine generelle Machbarkeit bewiesen. Einige Monate später folgte Feng Zhang vom Broad Institute mit seinem Patent auf CRISPR/Cas9. Er und sein Team haben diese erstmals erfolgreich an eukaryotischen Zellen angewandt und damit, so ihre Interpretation der Forschungsergebnisse, die Möglichkeit geschaffen, eben nicht nur Bakterien sondern auch die Genome anderer Organismen punktgenau zu verändern – zu editieren.  

Domestikations-Gene sind oft mutiert

Dabei drängt die Zeit. Die Weltbevölkerung wächst beständig und verlangt nach immer mehr Nahrungsmitteln. Die langsame Selektion unserer Vorfahren können wir uns schlicht nicht leisten. Damals verlief Züchtung in etwa so: Menschen suchten jedes Jahr nach den vielversprechendsten Pflanzen auf ihren Feldern und säten nur deren Samen im nächsten Jahr wieder aus. Über unzählige Generationen wiederholte sich dieser Prozess bis sich endlich erwünschte Eigenschaften durchsetzten.  

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Besonders bedacht waren unserer Vorfahren darauf, den Ertrag zu erhöhen, den Geschmack zu verbessern oder die Bekömmlichkeit und die Lagerungsfähigkeit zu steigern. Alle diese Eigenschaften werden jeweils von einer Vielzahl von Genen kontrolliert. Doch einige Gene haben einen besonders großen Einfluss. Sie werden auch „Domestikations-Gene“ genannt.  

Aus genomischen Analysen wissen wir heute, dass diese Domestikations-Gene in Nutzpflanzen häufig mutiert sind und dadurch ihre ursprüngliche Funktion verloren haben. Beispielsweise verbleiben bei unseren heutigen Getreidearten die reifen Körner am Halm und können einfach geerntet werden, weil Gene mutiert sind, die einst ein Auseinanderbrechen der Spindel bewirkten. Unter natürlichen Bedingungen eine Eigenschaft, die das Überleben der eigenen Art sicherte. Auf dem Feld jedoch ein Verlustfaktor.    

„Theoretisch könnte man jetzt diese Eigenschaften, die während Jahrtausenden der Pflanzenzüchtung selektiert worden sind – wie weniger Bitterstoffe und einfachere Ernte – in Pflanzen einfügen, die noch nie kultiviert worden sind“, sagt Michael Palmgren, Professor für Biologie an der Universität Kopenhagen. Die Herausforderung ist jetzt, den Prozess der Domestikation viel schneller und zielgerichteter ablaufen zu lassen.  

Dafür muss man zuerst möglichst viel über die neu zu domestizierende Pflanze wissen. Wie sieht ihr Genom aus, welche Gene haben welche Funktion und welche Transkriptionsfaktoren steuern sie? Für Kulturpflanzen ist dazu schon viel bekannt. Für viele Wildpflanzen fehlt dieses Wissen noch.  

Heute wenig bekannt, morgen an jedem Imbiss?  

An einigen bisher züchterisch vernachlässigten Pflanzen wird bereits intensiv geforscht. Da wären zum Beispiel die Graugrüne Quecke (Thinopyrum intermedium), einigen besser bekannt als Weizengras, das Acker-Hellerkraut (Thlaspi arvense), geeignet für die Biotreibstoffproduktion, oder die Erdbirne (Apios americana), ein Grundnahrungsmittel der Ureinwohner Amerikas, die die proteinreichen Knollen schon lange zu schätzen wissen. Auch deutsche Forscherinnen und Forscher mischen auf diesem Feld mit. Wissenschaftler an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel beispielsweise arbeiten daran, die südamerikanische Quinoa-Pflanze auf europäische Felder zu holen.  

Am Beispiel Quinoa zeigt sich, dass Menschen durchaus bereit sind für neue Nahrungspflanzen. Noch vor etwa fünf Jahren kannten nur wenige Europäer diese Pflanze, noch weniger wussten, was sie aus den nussigen, nährstoffreichen Körnern zubereiten sollen. Heute bieten selbst große Fastfood-Ketten Quinoa-Produkte an. Angebaut wird die Pflanze bisher fast ausschließlich in Ecuador, Chile und Bolivien. Das soll sich in Zukunft ändern. 

„Alle Pflanzen, die wir heute essen, sind mutiert, aber die Feldfrüchte wurden über Tausende von Jahren domestiziert und ihre Mutationen sind Zufallsprodukte“, sagt Palmgren. Und der Zufall lässt sich einfach immer zu viel Zeit. Hier soll nun die Wissenschaft gezielt eingreifen.