Züchtung

Die Pflanzenzüchtung arbeitet ständig an neuen Kultursorten mit verbesserten Eigenschaften und schafft dadurch die Grundlage für eine nachhaltige Landwirtschaft. Die Kulturpflanzen werden an die sich ändernden Umweltbedingungen und Bedürfnisse der Landwirtschaft und Konsumentinnen und Konsumenten angepasst, um langfristig die Erträge und Qualität der Produkte zu sichern.

Über tausende von Jahren haben die Bauern für die nächste Aussaat diejenigen Pflanzen ausgewählt, die den Umweltbedingungen am besten angepasst waren und den grössten Ertrag erzielten. Seit dem 18. Jahrhundert wird gezielte Pflanzenzüchtung an naturwissenschaftlichen Instituten betrieben. Ermöglicht wurde dies insbesondere durch die Erkenntnisse von Charles Darwin (Evolutionstheorie) und Gregor Mendel (Regeln der Vererbung). Eine weitere wichtige Errungenschaft in der Pflanzenzüchtung ist die Nutzung des sogenannten Heterosis-Effekts seit Beginn des 20. Jahrhunderts. Dieser Effekt beruht auf der Tatsache, dass die erste Nachkommensgeneration zweier Inzuchtlinien, sogenannte Hybride, leistungsfähiger ist als die Elterngeneration. In vielen wichtigen Kulturen werden heute hauptsächlich Hybridsorten angebaut (z. B. Mais, Raps, Reis oder zahlreiche Gemüsearten). In den 1950er Jahren wurden im Zuge der „Grünen Revolution“ die ersten Hochertragssorten entwickelt. Zusammen mit verbesserte Anbaumethoden, insbesondere dem Einsatz von Dünger und Pflanzenschutzmitteln, führten sie zu grossen Ertragssteigerungen. Beim Weizen zum Beispiel hat sich der Ertrag in der Schweiz seit Mitte des 20. Jahrhunderts fast verdreifacht.

Weizenertrag in der Schweiz von 1850 bis 2011.
Weizenertrag in der Schweiz von 1850 bis 2011. (Bild: D. Fossati und C. Brabant, Agroscope. Illustration: Olivia Zwygart)
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Weizenertrag in der Schweiz von 1850 bis 2011.
Weizenertrag in der Schweiz von 1850 bis 2011. (Bild: D. Fossati und C. Brabant, Agroscope. Illustration: Olivia Zwygart)

Der Züchtung neuer Sorten innerhalb kurzer Frist wird zukünftig wohl eine noch grössere Bedeutung zukommen. Der Klimawandel führt weltweit zu stark veränderten Umweltbedingungen. Deshalb wird beispielsweise an der Entwicklung von Sorten gearbeitet, die Trockenheit oder Überschwemmungen besser überstehen können. Das veränderte Klima zusammen mit der Globalisierung kann auch dazu führen, dass sich Pflanzenkrankheiten und Schädlinge rascher ausbreiten.1 Eines der wichtigsten Züchtungsziele sind deshalb Sorten mit einer Resistenz gegen Krankheitserreger und Schädlinge. Daneben ist eine effizientere Nährstoffnutzung ein Hauptziel der Züchtung. Solche Pflanzen mit verbesserter Effizienz und Resistenz könnten den Bedarf an Pflanzenschutzmitteln und Mineraldünger reduzieren und die landwirtschaftliche Produktion dadurch nachhaltiger machen. Da die Weltbevölkerung stetig wächst, muss zukünftig mehr produziert werden. Gemäss Schätzungen der Welternährungsorganisation FAO muss die weltweite Produktion bis 2050 um 70% gesteigert werden. Die dafür zur Verfügung stehende Nutzfläche wird in diesem Zeitraum aber nur um schätzungsweise 5% wachsen.2 Deshalb braucht es Sorten, die unter schwierigen Bedingungen mit geringerem Ressourceneinsatz höhere Erträge liefern können.

Eine konventionell gezüchtete trocken-tolerante Maissorte in Südafrika.
Eine konventionell gezüchtete trocken-tolerante Maissorte in Südafrika. (Bild: John MacRobert / CIMMYT / John MacRobert/CIMMYT / MacRobert/CIMMYT (flickr))
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Eine konventionell gezüchtete trocken-tolerante Maissorte in Südafrika.
Eine konventionell gezüchtete trocken-tolerante Maissorte in Südafrika. (Bild: John MacRobert / CIMMYT / John MacRobert/CIMMYT / MacRobert/CIMMYT (flickr))

Moderne Pflanzenzüchtung

Die moderne Pflanzenzüchtung lässt sich in drei Phasen einteilen:

1. Erzeugung genetischer Vielfalt
Genetische Vielfalt ist die wichtigste Voraussetzung für züchterische Verbesserung. Um diese Vielfalt zu erhöhen, werden verschieden Methoden angewendet. Dazu gehören auch die klassische Gentechnik und neue auf der Gentechnik basierende Verfahren.

2. Auswahl geeigneter Linien
Sobald die genetische Vielfalt vorliegt, folgt ein mehrjähriger, intensiver Auswahlprozess. Dieser führt im Idealfall zu einer homogenen Pflanzenpopulation (sogenannte Inzuchtlinien), die nur noch aus einem Erbgut besteht, das die gewünschte Eigenschaft stabil und verlässlich ausprägt.

3. Agronomische Prüfung
Die ausgewählten Pflanzen werden mehrere Jahre lang an verschiedenen Standorten auf ihre Eigenschaften und Wechselwirkungen mit der Umwelt getestet, bevor sie in den nationalen Sortenkatalog aufgenommen und angebaut werden können.

Züchtung mit und ohne Gentechnik

Sowohl in der konventionellen Züchtung als auch in der Grünen Gentechnik wird das Erbgut der Pflanze neu kombiniert, um danach gewünschte Eigenschaften auswählen zu können. Die verschiedenen eingesetzten Verfahren unterscheiden sich jedoch wesentlich in Präzision und Umfang dieser genetischen Veränderungen.

Ohne Gentechnik

In der konventionellen Züchtung werden dazu in erster Linie Pflanzen mit verschiedenem Erbgut gekreuzt. Dabei werden die Gene der gekreuzten Pflanzen zufällig neu kombiniert. Voraussetzung dafür ist grundsätzlich, dass die Pflanzen sich miteinander kreuzen lassen – sie also sexuell kompatibel sind. Es gibt eine Reihe zusätzlicher Verfahren, die in der konventionellen Züchtung angewandt werden:

  • Das Erbgut von nicht-kreuzbaren Pflanzen kann teilweise vermischt werden indem zwei Protoplasten (Zellen ohne Zellwand) oder ein Protoplast mit einem Cytoplast (Zelle ohne Zellwand und Zellkern) verschmolzen werden. Zudem können Keimlinge, die aus inkompatiblen Kreuzungen entstehen, auf Nährmedien gerettet werden, bevor sie absterben.
  • Das Erbgut von Pflanzen kann künstlich verändert werden, indem man sie mit radioaktiven Strahlen (zum Beispiel Gammastrahlen) oder Chemikalien behandelt. Dieses Verfahren wird Mutagenese genannt. Sie erhöht die Anzahl genetischer Veränderungen, was zu neuen Eigenschaften führen kann.

Trotz der beträchtlichen Veränderungen ihres Erbguts gelten Pflanzen, die aus diesen Verfahren hervorgehen, nicht als «gentechnisch verändert».

Mit Gentechnik

Die Verfahren der Grünen Gentechnik gestatten es ebenfalls, das Erbgut einer Pflanze zu verändern. Im Vergleich zu den konventionellen Züchtungsmethoden weist die Gentechnik aber drei entscheidende Unterschiede auf:

  • Erbmaterial, das von nicht-kreuzbaren Pflanzen, Mikroorganismen oder Tieren stammt oder chemisch synthetisiert wurde, kann verwendet werden.
  • Eigenschaften, deren genetische Basis aufgeklärt ist, können gezielt auf Kulturpflanzen übertragen werden. Da dadurch langjährige Kreuzungs- und Auswahlverfahren teilweise abgekürzt werden können, vermag die Grüne Gentechnik die Züchtung von gewissen Sorten zu beschleunigen.
  • Einzelne Gene im Pflanzenerbgut können gezielt verändert und ein- oder ausgeschalten werden.

Um fremdes genetisches Material in Pflanzenzellen zu transportieren und dieses Material in das Erbgut der Zielpflanze einzubinden, werden heute zwei Verfahren breit angewendet:

  • Infektion von Pflanzenzellen mit dem Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens, das die natürliche Fähigkeit besitzt, in verletzte Pflanzenzellen einzudringen und ein DNA-Stück ins Pflanzenerbgut zu transferieren.
  • Mechanisches Einbringen von mit DNA beschichteten Partikeln in Pflanzenzellen mit Hilfe einer «Genkanone». Beim Durchdringen der Zellwände löst sich die DNA von den Partikeln ab und kann in den Zellkern aufgenommen und dort in das Erbgut eingebaut werden.

Gentechnische Verfahren sind genauso sicher wie konventionelle Methoden

Neben den gewünschten genetischen Veränderungen, die den neuen Eigenschaften zugrunde liegen, kann es beim Züchtungsprozess auch zu weiteren, unbeabsichtigten Veränderung im Erbgut und im Stoffwechsel der Pflanze kommen.

Vielfach wird befürchtet, dass die gentechnischen Verfahren häufiger als konventionelle Methoden zu solchen unbeabsichtigten Effekten führten und diese deshalb mit grösseren Risiken verbunden seien. Zahlreiche Studien in den letzten 20 Jahren widersprechen dieser Befürchtung jedoch: Die bisher zugelassenen GV-Sorten zeigten im gleichen Masse unbeabsichtigte Veränderungen im Stoffwechsel oder in der Zusammensetzung der Pflanze wie dies bei konventionell gezüchteten Sorten der Fall ist.3 Deshalb gelten gentechnische Züchtungsverfahren mittlerweile als genauso sicher wie konventionelle Methoden. Das Risiko von unbeabsichtigten Veränderungen wird bei gewissen konventionellen Methoden wie der Mutagenese sogar höher eingeschätzt als bei der Gentechnik.4 Die Anwendung der Mutagenese seit bald 100 Jahren zeigt aber auch, dass unbeabsichtigte Veränderungen in der Praxis zu keinen ernsthaften Problemen führen; vor der Zulassung einer neuen Sorte wird diese umfangreich geprüft und unerwünschte Veränderungen, die sich negativ auswirken, werden ausselektioniert.

Relative Wahrscheinlichkeit unbeabsichtigter Veränderungen für verschiedene Züchtungsmethoden basierend auf Expertenschätzungen . Reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd: Nature Biotechnology 31, 794-802, copyright 2013.
Relative Wahrscheinlichkeit unbeabsichtigter Veränderungen für verschiedene Züchtungsmethoden basierend auf Expertenschätzungen . Reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd: Nature Biotechnology 31, 794-802, copyright 2013.
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Relative Wahrscheinlichkeit unbeabsichtigter Veränderungen für verschiedene Züchtungsmethoden basierend auf Expertenschätzungen . Reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd: Nature Biotechnology 31, 794-802, copyright 2013.
Relative Wahrscheinlichkeit unbeabsichtigter Veränderungen für verschiedene Züchtungsmethoden basierend auf Expertenschätzungen . Reprinted by permission of Macmillan Publishers Ltd: Nature Biotechnology 31, 794-802, copyright 2013.

Neue Züchtungsmethoden

Nebst den traditionellen Methoden der Gentechnik gibt es eine ganze Reihe neuer Züchtungsverfahren, die Gentechnik auf neue Art und Weise nutzen. Mit diesen Methoden können sehr präzise Veränderungen im Erbgut vorgenommen werden, was die Möglichkeiten der Pflanzenzüchtung stark erweitert und gleichzeitig verkürzte Züchtungsverfahren bei minimaler Wahrscheinlichkeit für unbeabsichtigte Veränderungen ermöglicht. Einige werden bereits eingesetzt, von anderen erwartet man in naher Zukunft praktische Anwendungen. Mit Hilfe dieser neuen Methoden gezüchtete Pflanzen lassen sich oft nicht mehr klar in “gentechnisch veränderte Organismen (GVO) und “nicht-GVO” einteilen und die Grenzen verschwinden zusehends. Dies stellt insbesondere für die Regulierung eine grosse Herausforderung dar, da die rechtlichen Bestimmungen für GVO und nicht-GVO völlig unterschiedlich sind. Diese rechtliche Unsicherheit wirkt sich auch negativ auf die Forschung und Entwicklung in der Pflanzenzüchtung aus; die Schweiz und Europa drohen hier den Anschluss zu verlieren.

Aus diesen Gründen fordern zahlreiche Expertinnen und Experten eine Änderung in der Risikobeurteilung und in der Regulierung. Zukünftig sollte bei der Beurteilung einer neuen Sorten die Pflanze und ihre Eigenschaften sowie ihre Wechselwirkungen mit der Umwelt im Vordergrund stehen und nicht der Züchtungsprozess (mit oder ohne Gentechnik).5

> mehr über neue Züchtungsverfahren

Referenzen

(1) EASAC (2014) Risk to plant health: EU priorities for tackling emerging plant pests and diseases. EASAC Policy Report 24. Link

(2) FAO (2009) How to feed the world in 2050. Executive summary oft the high-level expert forum held in Rome, 12-13 October 2009. Link

(3) Herman R, Price WD (2013) Unintended compositional changes in genetically modified (GM) crops: 20 years of research. J. Agric. Food Chem. 61: 11695–11701. Link

(4) DeFrancesco L (2013) How safe does transgenic food need to be? Nature Biotechnology 31(9):794-802. Link

(5) Leistungsgruppe des Nationalen Forschungsprogramms NFP 59 (2012) Nutzen und Risiken der Freisetzung gentechnisch veränderter Pflanzen. Programmsynthese des Nationalen Forschungsprogramms 59. vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich. Link

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