Molekulare Züchtung: gezielte Veränderung einzelner Merkmale

Mai 2016

Die Auf­klärung der gene­ti­schen Grund­lagen quan­ti­ta­tiver Merkmale stellt einen Schlüssel zur Ver­bes­serung unserer Kul­tur­pflanzen und damit unserer wich­tigsten Nah­rungs­quellen dar. Manche wichtige Züch­tungs­ziele ein­schließlich öko­lo­gi­scher Ver­bes­se­rungen sind derzeit nur mit gen­tech­ni­schen Ver­fahren erreichbar. Dazu gehören Resis­tenzen gegen Krank­hei­ter­reger und Insekten sowie qua­li­tative Verbesserungen. 

Margit Laimer, Fatemeh Maghuly 

 

Die Grüne Gen­technik ver­wendet gen­tech­nische Ver­fahren im Bereich der Pflan­zen­züchtung zur Her­stellung trans­gener oder gen­tech­nisch ver­än­derter Pflanzen (GVP). Sie unter­scheidet sich von der her­kömm­lichen Züchtung dadurch, dass ein­zelne Gene gezielt trans­fe­riert und dabei Kreu­zungs­hin­der­nisse leichter über­schritten werden können. Jede Pflan­zen­zelle enthält zwi­schen 20.000 und 60.000 Gene, deren Funktion bisher nur teil­weise bekannt ist. Je nach Art variiert die Größe der Genome stark. So hat Ara­bi­d­opsis das bisher kleinste bekannte pflanz­liche Genom mit 1,25 x 108 Basen­paaren (Bp), Weizen hat 1,6 x 1010 Bp (im Ver­gleich: Homo sapiens 3 x 109 Bp). 

Unter der Annahme, dass ein Gen einer oder wenigen Seiten eines Buches mit einer bestimmten Anzahl von Buch­staben ent­spricht, ent­spricht ein durch­schnitt­liches Genom einem Stapel von 1700 Büchern à 1000 Seiten (Abb. 1). Bei der her­kömm­lichen Kreu­zungs­züchtung wird jeweils das gesamte Erbgut der Eltern­or­ga­nismen (Spender rot, Emp­fänger grün) – sprich der Inhalt der beiden Buch­stapel – gemischt und man erhält eine Vielzahl bunter Mischungen, deren Erbgut sich nicht exakt vor­her­sagen lässt. Das erfordert wie­der­holte Rück­kreu­zungen mit dem Empfänger-​Elternteil, um mit­über­tragene uner­wünschte Eigen­schaften des Spender-​Elternteils wieder zu eli­mi­nieren. Beim Gen­transfer werden gezielt aus anderen Arten oder Orga­nismen ein bis wenige Gene hin­zu­gefügt, die für eine bestimmte Eigen­schaft ver­ant­wortlich sind. Das ent­spricht der Über­tragung einer oder weniger Seiten in einen Stapel von 1700 Büchern (Abb. 2). Die Methode ist gezielter, Ver­än­de­rungen sind besser vor­her­sagbar und auf­grund der bekannten ver­wen­deten Sequenz ein­deutig nach­weisbar. Auch lassen sich bestimmte Eigen­schaften über­tragen, die auf kon­ven­tio­nellem Weg nicht ein­kreuzbar wären. Dass der gene­tische Code für alle Lebe­wesen uni­versell gültig ist, wird in Dis­kus­sionen um Arten­grenzen über­schrei­tenden Gen­transfer oft übersehen. 

Methoden des Gentransfers 

Seit den 1980er Jahren exis­tiert eine Reihe von Methoden zur Her­stellung trans­gener Pflanzen. Dabei werden ein­zelne Erb­fak­toren von Zellen eines Orga­nismus in Zellen eines anderen über­tragen. Zur Anwendung kommen vor allem drei Transfer-​Methoden. Die Agrobakterium-​vermittelte Gen­trans­fer­me­thode wurde in den 1980ern ent­wi­ckelt. Agrob­ac­terium tum­e­fa­ciens ist ein pflan­zen­pa­tho­genes Boden­bak­terium, das mit Hilfe seines extra­chro­mo­so­malen Plasmids Gene in das pflanz­liche Genom inte­griert. Ersetzt man die „Wildtyp-​Sequenzen“ in einem „ent­waff­neten“ Plasmid mit Fremd­genen, kann man damit gezielt Gene in „sense“ und „antisense“-Orientierung in die Pflanze ein­bauen und somit hinauf- oder hin­un­ter­re­gu­lieren. Der bio­lis­tische Ansatz ist eine direkte, rein mecha­nische Methode. Dabei wird DNA auf Gold- oder Wolf­ram­par­tikel auf­ge­bracht, die mit Hilfe einer Gen­kanone in die Zellen geschossen werden. Da die Par­tikel sehr klein sind, bleiben Zelle und Zellwand weit­gehend unbe­schädigt. Bei der Pro­to­plas­ten­trans­for­mation erhält man zunächst durch enzy­ma­ti­schen Verdau der Zell­wände nur von einer Zell­membran umgebene Pro­to­plasten. Für den Gen­transfer wird diesen Pro­to­plasten ent­weder Poly­ethy­len­glykol hin­zu­gefügt oder ein kurzer Stromstoß (Elek­tro­po­ration) ver­setzt, wodurch die Membran durch­lässig und DNA in die Pflan­zen­zelle auf­ge­nommen wird. Die Methode ist zwar bei allen Pflanzen anwendbar, aller­dings ist es schwierig, aus Pro­to­plasten wieder Pflanzen zu regenerieren. 

Züchtungsziele 

Durch Gen­transfer können gewünschte Merkmale direkt in Pflanzen über­tragen werden, etwa ver­än­derte agro­no­mische Eigen­schaften, die den Anbau der Pflanzen erleichtern (Input Traits). Gen­tech­nisch ver­bes­serte herbizid‑, schädlings‑, pilz- und virus­re­sis­tente Pflanzen der ersten Generation können den Einsatz von Pflan­zen­schutz­mitteln, Energie, Zeit und Geld redu­zieren. Auch den Einsatz von Dün­ge­mitteln hofft man lang­fristig zu ver­ringern, damit Böden und Gewässer ent­lastet und Lebens­mittel umwelt­ge­recht pro­du­ziert werden können. 

Daneben haben soge­nannte Output Traits mit ver­än­derter Pro­dukt­qua­lität (neue Inhalts­stoffe und ver­än­derte Eigen­schaften) die Kon­su­men­tInnen und die Industrie als Zielgruppen. 

Ernäh­rungs­phy­sio­lo­gisch opti­mierte Pro­dukte werden in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Auch zur Reduktion von Lebens­mit­tel­all­ergien wird die Gen­tech­no­logie bei­tragen. Mit ihrer Hilfe können All­ergene in Lebens­mitteln unter­sucht, inak­ti­viert oder ent­fernt werden. GVP der zweiten Generation zielen auf die Ver­bes­serung von Nähr­stoff­gehalt und Ver­ar­bei­tungs­qua­lität, z.B. Erhöhung des Gehalts von Omega-​3-​Fettsäuren, Erhöhung und Ver­än­derung des Zucker­ge­halts oder bessere Far­b­ei­gen­schaften. Bio­for­ti­fi­kation, die Anrei­cherung mit Nähr­stoffen, ist unter anderem mit gen­tech­ni­schen Methoden möglich. In den 1990er Jahren wurde von Ingo Potrykus und Peter Bayer durch Ein­führung von drei Genen zur Caro­te­no­id­syn­these die Reis­sorte Golden Rice erzeugt, die deutlich mehr Beta-​Karotin, eine Vor­stufe zu Vitamin A, und Eisen enthält. In Ländern, in denen Reis das Haupt­nah­rungs­mittel ist, kann damit weit ver­brei­teten Man­gel­er­kran­kungen begegnet werden. Die an der Ent­wicklung betei­ligte Firma Syn­genta ver­zichtet bei huma­ni­tären Pro­jekten auf Lizenz­zah­lungen. Golden Rice der 2. Generation befindet sich in Ban­gla­desch und auf den Phil­ip­pinen im Zulas­sungs­ver­fahren. Eine Markt­ein­führung könnte in abseh­barer Zeit erfolgen. GVP der dritten Generation sollen Indus­trie­roh­stoffe (Bio­kraft­stoffe, bio­lo­gisch abbau­bares Plastik, Enzyme oder Schmieröle) oder phar­ma­zeu­tische Pro­dukte wie Hormone, Impf­stoffe oder Anti­körper liefern. 

Anbau

Zu Beginn der 80er Jahre nahm die Gen­tech­no­logie im Bereich der Pflan­zen­zucht ihren eigent­lichen Auf­schwung. Bei der 1994 als erstes GVO-​Nahrungsmittel in den USA zuge­las­senen Flavr-​Savr-​Tomate wurde durch Antisense-​Strategie ein Gen für die Bildung des Reife-​Enzyms Poly­ga­lak­tur­onase blo­ckiert, wodurch die Früchte länger haltbar wurden. Nach einem Ver­kaufspeak 1998 wurden die Pflanzen wegen man­gelnder Ren­ta­bi­lität vom Markt genommen. In England wurde etwa zeit­gleich Toma­tenmark aus gv-​Tomaten ein großer Erfolg, der gv-​Ursprung der Tomaten war ein­deutig auf dem Etikett ange­geben. Eine Zulassung nach EU-​Rechtsvorschriften zur Gen­technik wurde bean­tragt und 2002 zurück­ge­zogen. In den Früchten von Arctic Granny and Arctic Golden von Oka­nagan Spe­cialty Fruits Inc. (Kanada) wird durch Gen-​Silencing die Expression von Poly­phe­noloxi­dasen (PPO) redu­ziert, was die Ver­bräunung des Frucht­flei­sches ver­hindert. Im Feber 2015 wurde für diese beiden Sorten der Dere­gu­lie­rungs­status erteilt, d.h. sie werden dem­nächst auf dem Markt angeboten. 

Die welt­weite kom­mer­zielle Anbau­fläche von GVP hat sich von 1,7 Mil­lionen Hektar im Jahr 1996 bis 2012 auf über 170 Mil­lionen Hektar ver­größert. Weltweit fand 2014 der Anbau in 28 Ländern durch 18 Mil­lionen Land­wirte (davon mehr als 90% in Ent­wick­lungs­ländern) auf 181 Mil­lionen Hektar statt (James, 2014). Die Akzeptanz für GVP gerade im Lebensmittel- und Futtermittel-​Bereich ist in Europa, und besonders in Deutschland und Öster­reich, gering. Seit 2013 werden in Deutschland keine GV-​Pflanzen mehr angebaut, auch nicht zu Ver­suchs­zwecken (Frei­set­zungs­ver­suche). In Öster­reich wurden Frei­set­zungen nicht einmal zu For­schungs­zwecken zugelassen. 

Weltweit sind hun­derte ver­schiedene gen­tech­nisch ver­än­derte Pflanzen zuge­lassen (Stand: März 2000). Mit  Jänner 2016 haben in der EU 32 gv-​Maislinien, 12 gv-​Sojabohnenlinie, 4 gv- Raps­linien, 1 gv-​Zuckerrübe sowie 10 gv-​Baumwoll-​Linien das Zulas­sungs­ver­fahren durch­laufen (http://ec.europa.eu/food/dyna/gm_register/index_en.cfm). Dabei wird deutlich zwi­schen der Zulassung zum Import und der Zulassung zum Anbau unterschieden. 

Im Mit­tel­punkt der welt­weiten Anwendung der Grünen Gen­technik stehen bisher vier Agrar­pflanzen (Anteil GVO 2014): Soja (>80%), Baum­wolle (68%), Mais (30%) und Raps (25%), die ent­weder mit Her­bi­zid­to­leranz (57%), Insek­ten­re­sistenz (15%) oder beidem (28%) aus­ge­stattet sind. So wurden 2014 weltweit auf 90,7 von 111 Mil­lionen Hektar (82 %) gv-​Sojabohnen angebaut. In der EU sind sie seit 1996 zum Import und zur Wei­ter­ver­ar­beitung genehmigt und haben damit über Lebens- und Fut­ter­mittel Einzug in die mensch­liche Nah­rungs­kette gehalten. 

Neben diesen vier Pflanzen werden derzeit nur wenige gen­tech­nisch ver­än­derte Pflanzen global ver­marktet. Auf kleinen Flächen werden in den USA und Kanada gv-​Zuckerrüben, gv-​Luzerne und gv-​Papaya angebaut, die vor allem durch öffent­liche For­schung ent­wi­ckelt wurden und neben den großen „Com­modity crops“ nur eine sekundäre wirt­schaft­liche Bedeutung haben. Diese Kon­zen­tration resul­tiert aus der Tat­sache, dass die Ent­wicklung von neuen GVP zeit‑, kosten- und wis­sens­in­tensiv ist. Vor der Zulassung neuer trans­gener Sorten müssen jah­re­lange Ver­suchs­reihen durch­ge­führt werden, die durch­schnittlich ca. 13 Jahre von der Ent­wicklung bis zur Zulassung und 136 Million Dollar benö­tigen. Diese hohen Kosten redu­zieren die Inno­va­ti­ons­raten und behindern ins­be­sondere die Ent­wicklung von gv-„minor crops“. Die hohen Kosten tragen auch zu einer Kon­zen­tration der Saat­gut­in­dustrie bei, da sich öffent­liche For­schungs­ein­rich­tungen die Summen nicht leisten können. 

2014 wurden die ersten Pflanzen in Kanada und den USA für den Anbau zuge­lassen, die mit Hilfe neuer Gentechnik-​Methoden, dem soge­nannten “genome editing”, ent­standen sind. Solche Pflanzen ent­halten keine art­fremde Erb­infor­mation (Transgene). Bei der neuen Kartoffel-​Sorte ent­stehen 75 Prozent weniger Acryl­amide beim Frit­tieren. Die zweite zuge­lassene Pflanze ist eine Luzerne, deren Anteil an schwer­ver­dau­lichem Lignin in den Zell­wänden ver­mindert wurde, wodurch die neue Sorte als Vieh­futter besser ver­daulich wird. 

Smart Breeding

In den letzten 10 Jahren ist eine Reihe neuer Methoden zur mole­ku­laren Züchtung hin­zu­ge­kommen. So defi­niert man die Trans­for­mation als Cis­genese, wenn das Gen oder die regu­la­to­ri­schen Sequenzen von einer mit der Emp­fän­ger­pflanze natürlich kreuz­baren Art stammten. Die gene­tische Modi­fi­kation war auf natür­liche Gene (inclusive Introns, nativer Pro­mo­toren sowie Ter­mi­na­tor­se­quenzen)  in sense-​Orientierung ein­ge­schränkt. Pfropfen ist eine klas­sische Methode in der Pflan­zen­zucht vor allem bei Zier- und Obst­ge­hölzen. In der modernen Pflan­zen­züchtung wird auf eine gv-​Unterlage mit ver­bes­serten Eigen­schaften (z.B. Krank­heits­re­sistenz, ver­bes­serte Bewur­zelung) ein kon­ven­tionell gezüch­tetes Edelreis gepfropft. Prin­zi­piell sind Pflanzen aus einer gv- Unterlage und einem her­kömm­lichen Edelreis Chi­mären, welche als GVP ein­ge­stuft werden. Da aber das Edelreis nicht gen­tech­nisch ver­ändert wurde, sind auch die Nach­kommen und Pro­dukte (Samen, Früchte) nicht gen­tech­nisch ver­ändert. Gv-​Wurzelstöcke wurden bereits bei ver­schie­denen Baum­arten, etwa bei Apfel, Birne, Orange und Rebe, entwickelt. 

Ermög­lichten die ursprüng­lichen Methoden einen Gen­transfer mit zufäl­liger Inte­gration ins Genom, so erlauben die neuen Genom-​Editing Methoden  (GE) einen Gen­transfer mit ziel­ge­nauen Ver­än­de­rungen im Genom. Beim GE werden bestimmte kurze Abschnitte oder ein­zelne Basen­paare im Erbgut von Zellen gezielt ange­steuert und – an Ort und Stelle –opti­miert. Mit Hilfe dieser Tech­niken können also punkt­genaue Ver­än­de­rungen in der Erb­infor­mation – Buch­stabe für Buch­stabe ‑vor­ge­nommen werden, als wäre sie ein Text in einem Schreib­pro­gramm (Abb. 3). 

Der wesent­liche Unter­schied zu den bereits zuge­las­senen GVOs ist, dass die neuen Züch­tungs­tech­niken in der Regel keine art­fremden Gene in die Pflanze ein­bringen, sondern Gene, die bereits in der Pflanze vor­handen sind, ver­bessern. Der Ansatz des GE nutzt die Fähigkeit bestimmter Enzyme, Erb­sub­stanz an spe­zi­fi­schen Stellen auf­zu­schneiden und anschließend punkt­genau durch zelleigene Repa­ra­tur­me­cha­nismen instand zu setzen, jedoch nicht ohne zuvor eine gezielte Ver­än­derung des Gens vor­zu­nehmen. Basis dieser „cut-and-repair“-Systeme sind soge­nannte Nukleasen, etwa die Mega­nu­kleasen, Zink­fin­ger­nu­kleasen, TALEN-​Effektoren und der Enzyme der CRISPR – Cas 9 (Clus­tered Regu­larly Inter­spaced Short Palin­dromic Repeats – CRISPR ASso­ciated protein number nine) Systeme. CRISPR steht für eine Sequenz mit sich wie­der­ho­lenden DNA-​Abschnitten in Bak­terien, die kurze DNA-​Stücke von Viren ent­halten. Das wird mit Hilfe der soge­nannten „guide RNA“ (=Schnitt­mus­ter­vorlage, die beschreibt, wo genau im DNA-​Faden sie schneiden soll) an seine Ziel-​DNA geleitet und schneidet diese exakt an der vor­ge­ge­benen Stelle. 

Die CRISPR-​CAS-​Technologie nutzt dieses Schneiden zusammen mit der DNA-​Reparaturmaschinerie von Zellen, um Muta­tionen gezielt zu erzeugen oder aber alter­native DNA-​Fragmente an der Schnitt­stelle einzufügen. 

Die durch GE erzeugten Muta­tionen unter­scheiden sich nicht von Ver­än­de­rungen, die in der Natur vor­kommen oder mit Hilfe der klas­si­schen Züchtung erzeugt werden. Ein­ziger Unter­schied ist, dass diese bewusst auf ein Zielgen aus­ge­richtet werden. Durch die Sequen­zierung der DNA kann die Ver­än­derung eines Gens nach­ge­wiesen werden. Jedoch kann nicht nach­ge­wiesen werden, durch welche Methode diese Ver­än­derung ent­standen ist. Bei Weizen, der gegen Mehltau resistent gemacht wurde, wurden mit der neuen Methode gleich­zeitig drei Gene ver­ändert, was mit klas­si­schen Methoden der Gen­technik oder Züchtung nicht möglich gewesen wäre. Jede ein­zelne Gen­ver­än­derung ist minimal und hätte in der Natur auch von selbst auf­treten können, sta­tis­tisch gesehen aber wäre es höchst selten, dass alle drei Muta­tionen in der Natur gleich­zeitig auf­ge­treten wären. 

Zulassung und Kennzeichnung 

Es gibt kein weltweit ein­heit­liches Ver­fahren für die Zulassung von GVP zum Anbau oder zur Ver­wendung als Lebens- und Fut­ter­mittel. Jedes Land hat seine eigenen Gesetze dazu. 

In der EU werden Lebens­mittel mit Gv-​Anteil auf­grund des Her­stel­lungs­pro­zesses als neu­artige Lebens­mittel behandelt (pro­zess­be­zogen). Ein neues Gv-​Produkt gilt unab­hängig von seiner Zusam­men­setzung zunächst als riskant, bis aus­rei­chende Tests durch­ge­führt wurden, um seine Sicherheit zu gewähr­leisten. Lebens­mittel mit Gv-​Anteil werden in den USA und in Kanada wie Lebens­mittel ohne Gv-​Anteil behandelt, wenn die­selbe Zusam­men­setzung im End­produkt besteht (pro­dukt­be­zogen).

Seit über 25 Jahren For­schung gibt es keine wis­sen­schaft­lichen Hin­weise dafür, dass gen­tech­nisch ver­än­derte Pflanzen mit höheren Risiken für die mensch­liche Gesundheit ver­bunden seien als kon­ven­tio­nelle. Diese Auf­fassung wird weltweit von füh­renden Wissenschaft- und Gesund­heits­or­ga­ni­sa­tionen ver­treten. Obwohl bei keinem der über 38.000 Frei­set­zungs­ex­pe­ri­mente, die bislang weltweit durch­ge­führt wurden, unge­wöhn­liche Fol­ge­er­schei­nungen trans­gener Pflanzen im Ver­gleich zu her­kömm­lichen Pflanzen beob­achtet wurden, und obwohl es bei keinem Ver­ar­bei­tungs­produkt zu unvor­her­ge­se­henen Ereig­nissen kam, dauert die Dis­kussion über hypo­the­tische Risiken weiter an. Daher fordern Wis­sen­schaftler schon länger, dass  als Ent­schei­dungs­basis für oder gegen den Anbau einer neuen Pflanze diese selbst einer ein­ge­henden Prüfung zu unter­werfen sei, und nicht die Methode, mit der in ihr Erbgut ein­ge­griffen wurde. Ob nämlich eine gene­tische Anpassung mittels che­mi­scher, phy­si­ka­li­scher oder bio­lo­gi­scher Ver­fahren erreicht wurde, ist unerheblich. 

Lite­ratur bei den Verfasserinnen. 

Zeittafel der Pflanzenzüchtung 

Zeitraum

Methoden

vor 1900

Auswahl vor­han­dener Vari­anten, gezielte Auswahl von Pflanzen

ab 1900

Gezielte Kreu­zungen für gene­tische Variation, Hybridsorten

ab 1950

Unge­richtete Muta­ti­ons­züchtung mittels Radio­ak­ti­vität (Gamma-​Strahlen)

ab 1960

Zell- und Gewe­be­kul­turen, Protoplastenfusion

ab 1978

Trans­genese = Über­tragung ein­zelner selek­tierter art­fremder Gene in sense- oder antisense-​Orientierung, RNA-Interferenz

ab 2005

SMART BREEDING Tech­niken: Cis­genese (Über­tragung ein­zelner selek­tierter Gene in kreuzbare, ver­wandte Pflanzen), Intra­genese (Über­tragung ein­zelner selek­tierter Gene aus der­selben Art), Agro­in­fil­tration, Pfropfung, RNA-​abhängige DNA-​Methylierung (RdDM), Syn­the­tische Biologie

ab 2010

GENOME EDITING Tech­niken: Oligonukleotid-​gesteuerte Muta­genese, Zinkfingernuklease-​Technik (ZFN‑1; ZFN‑2; ZFN‑3), TALENs, CRISPR-Cas9

Quelle: modi­fi­ziert nach Jany und Kellmann 2015 

 

Abb. 1: Durch­mi­schung gene­ti­scher Eigen­schaften bei der her­kömm­lichen Kreuzungszüchtung 

Abb. 2: Durch­mi­schung gene­ti­scher Eigen­schaften beim Gentransfer 

Abb. 3: Durch­mi­schung gene­ti­scher Eigen­schaften beim Gene Editing