Drohnen und Laser für die Zuckerrübenzüchtung

Zuckerrüben sind in Europa der wichtigste Zuckerlieferant. Die großen, weißen Rübenkörper bringen zur Erntezeit meist rund ein Kilogramm auf die Waage – davon sind etwa 200 Gramm reiner Zucker. Doch der Klimawandel setzt der Kulturpflanze spürbar zu: Anhaltende Hitze und Trockenheit sowie neue Schädlinge führen immer häufiger zu erheblichen Ernteverlusten.

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Besonders problematisch ist die Krankheit Syndrome Basses Richesses (SBR), zu Deutsch „Syndrom der niedrigen Zuckergehalte“. Sie wird von zwei verschiedenen Bakterienstämmen verursacht, die beide durch die Schilf-Glasflügelzikade übertragen werden – ein kleines, unscheinbares Insekt. Erstmals in den 1990er-Jahren in Frankreich beschrieben, breitet sich SBR zunehmend auch in Deutschland aus. Seit 2018 sind vor allem Felder in Hessen, Rheinland-Pfalz, Baden-Württemberg und Bayern betroffen. Der Zuckergehalt der Rüben kann durch die Krankheit um bis zu 30 Prozent sinken.

Die Projektpartner und das übergeordnete Ziel

Der mittelständische Zuckerrübenzüchter Strube D&S GmbH hat daher ein Konsortium aus akademischen Partnern um sich versammelt, um mit modernsten Technologien die Zuckerrübe fit für das neue Jahrtausend zu machen.

Wissenschaftliche Partner:

• Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie: Frau Dr. Nicole Raven, Herr Dr. Andreas Schiermeyer, Herr Dr. Stefano Di Fiore
• Justus-Liebig-Universität Gießen: Frau Dr. Sruthy Maria Augustine
• Universität Hohenheim: Herr Prof. Dr. Hans-Peter Piepho
• Institut für Zuckerrübenforschung: Herr Dr. Stefan Paulus

Industriepartner:

• Strube D&S GmbH (seit 2025 Teil der RAGT-Gruppe): Frau Dr. Katja Kempe, Frau Dr. Bettina Müller

Das experimentelle Vorgehen

Neue Transformationsmethoden etablieren

Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) sowie der Justus-Liebig-Universität Gießen arbeitet Strube daran, die Genom-Editierung bei der Zuckerrübe voranzubringen. Mit dem CRISPR-Cas9-System und einer zweiten, derzeit in Pflanzen wenig erprobten Endonuklease sollen gezielt Doppelstrangbrüche in der DNA erzeugt werden. Diese werden von der Pflanze meist nicht exakt repariert – und führen so zu gewünschten Veränderungen im Erbgut.

Die Zuckerrübe gilt jedoch als besonders schwierig zu transformieren, also gezielt genetisch zu verändern. Gängige Methoden wie die Agrobakterien-vermittelte Transformation oder der Beschuss mit einer Partikelkanone liefern oft nur unzureichende Ergebnisse. Deshalb hat das IME eine neue Technik entwickelt: LIST, kurz für „Laser-induzierte Schockwellen-Transformation“. Bei der Modellpflanze Tabak (Nicotiana tabacum) funktioniert dieses Verfahren bereits zuverlässig. Nun soll geprüft werden, ob sich damit auch bei der Zuckerrübe stabile Erfolge erzielen lassen.

Genom-Editierung für bessere Pflanzen

„Wir haben verschiedene Zielgene definiert, bei denen wir uns unterschiedliche Effekte erhoffen“, sagt Katja Kempe. Eines davon betrifft die Toleranz gegenüber Nematoden – winzigen Fadenwürmern, die das Wurzelsystem befallen und die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen erheblich stören. „Könnten wir dieses Gen editieren, hätten die Pflanzen bessere Abwehrmöglichkeiten gegen Nematoden“, erklärt Kempe.

Ein zweites Zielgen beeinflusst die Toleranz von Pflanzen gegenüber Salz- und Trockenstress positiv. Das Forschungsteam hofft, dass es ihnen gelingt, dieses Gen auch in Zuckerrüben durch Genom-Editierung auszuschalten. Somit könnte die Zuckerrübe künftig deutlich robuster gegen diese Stressfaktoren werden.

Als drittes rückt die Kontrolle des Schossens in den Fokus – also das Austreiben von Blüten und Samen. „Je nach Saison kommt es vor, dass einige Zuckerrüben schossen“, erläutert Kempe. Zuckerrüben sind eigentlich zweijährige Pflanzen: Im ersten Jahr bilden sie Blätter, Rübenkörper und Wurzeln aus – und werden im Herbst geerntet. Blütenstände und Samen entstehen erst im zweiten Jahr. Doch genetische Faktoren und ungünstige Umweltbedingungen können dazu führen, dass die Pflanzen bereits im ersten Jahr in die Blüte gehen, ungewollt Samen produzieren, die jahrelang im Boden überdauern können, und für die Rübenernte unbrauchbar werden.

„Landwirt:innen müssen solche Pflanzen dann mühsam von Hand aus dem Feld entfernen, damit sich im Folgejahr keine Unkrautrüben bilden“, so Kempe. Ziel des Projekts ist es daher, die genetische Schossregulation so zu verändern, dass es nicht mehr zu verfrühtem Schossen kommt. „Wir wollen diesen Prozess aber nicht vollständig unterbinden – schließlich brauchen wir die Blüte, um Saatgut zu erzeugen“, erklärt Kempe die Herausforderung.

Automatisierte Phänotypisierung mit Drohnen

Neben der Genom-Editierung ist auch die automatisierte Phänotypisierung – also die systematische Erfassung sichtbarer und physiologischer Eigenschaften von Pflanzen – ein zentraler Bestandteil des Projekts. So lässt sich etwa die Krankheit SBR an gelblich verfärbten Blättern erkennen. Anstatt dies jedoch manuell im Feld durch Menschen zu bonitieren, setzt BeetAdapt auf Drohnen. Diese überfliegen die Flächen in regelmäßigen Abständen und erstellen hochauflösende Aufnahmen der Pflanzen. Drohnen haben nicht nur den Vorteil, dass mehr Daten erfasst werden können als bei der visuellen Inspektion durch den Menschen, sie sind zudem auch objektiver und präziser. Mithilfe künstlicher Algorithmen sollen die Bilddaten anschließend automatisch und direkt auf der Drohne ausgewertet werden.

Früher war die Genotypisierung der Engpass, inzwischen hat sich dieser Flaschenhals auf die Phänotypisierung verlagert“, erklärt Kempe. Moderne Phänotypisierungsverfahren wie der Einsatz von Drohnen zur Bilddatenerhebung im Hochdurchsatz können dabei helfen, diesen Teil der Züchtung zu beschleunigen. Mit den Drohnenaufnahmen wollen die Forschenden nicht nur die Wachstumsentwicklung der Rüben besser verfolgen können, sondern auch den Schädlingsbefall dokumentieren, sowie beobachten, wie die Pflanzen auf Trockenstress reagieren.

Phänomische Selektion von Elitesorten

Die Analyse des Phänotyps dient nicht nur der Gesundheitskontrolle der angebauten Pflanzen, sondern kann auch genutzt werden, um Rückschlüsse auf den Genotyp zu ziehen. „Wir sammeln derzeit phänotypische Daten von verschiedenen Hybriden und neuen gezüchteten Sorten mit besonders guten Eigenschaften, die an unterschiedlichen Standorten und unter wechselnden Bedingungen wachsen“, erläutert Kempe. Ziel ist es, aus diesen Daten Vorhersagen ableiten zu können, welche Kreuzungen besonders vielversprechend sind und welche sich weniger lohnen.

Ausblick

Am Ende des Projekts sollen idealerweise verbesserte phänotypische Beschreibungen des Elite-Zuchtmaterials vorliegen. „Weil unsere Kapazitäten begrenzt sind, ist es entscheidend, nur solche Kreuzungen durchzuführen, bei denen wir von vornherein erwarten können, dass sie das gewünschte Ergebnis liefern“, betont Kempe.

Auch im Bereich der Genomik sind die Herausforderungen groß: Die Forschenden hoffen, dass bis dahin nicht nur die Methoden zur Genom-Editierung in der Zuckerrübe etabliert sind, sondern bereits erste Zielgene erfolgreich mit den gewünschten Mutationen verändert werden konnten. Damit könnte BeetAdapt einen wichtigen Beitrag leisten, die Zuckerrübe fit für den Klimawandel zu machen – und ihre Rolle als zentrale Zuckerpflanze Europas langfristig zu sichern.

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Epigenetik – Das Projekt EpicBeet sucht nach epigenetischen Markern für die Zuckerrübenzüchtung
• Zuckerrübe: Auf der Suche nach der verlorenen Kältetoleranz – Das Projekt „Betahiemis“
• Frosttolerante Zuckerrüben könnten viel mehr Zucker liefern – Interview mit Prof. Ekkehard Neuhaus

Titelbild: Mit Drohnen werden die Zuckerrüben auf dem Feld genau überwacht. (Bildquelle: © Anna Müller für Strube D&S GmbH)