Tasche K Nr. 17: Gentechnik und gentechnisch veränderte Nutzpflanzen

Tasche K Nr. 17: Gentechnik und gentechnisch veränderte Nutzpflanzen

In den letzten 50 Jahren hat sich das Gebiet der Gentechnik aufgrund des besseren Verständnisses der Desoxyribonukleinsäure (DNS) als chemischer Doppelhelix-Code, aus dem Gene bestehen, rasch entwickelt. Der Begriff Gentechnik wird verwendet, um den Prozess zu beschreiben, durch den die genetische Zusammensetzung eines Organismus mit Hilfe der „rekombinanten DNA-Technologie“ verändert werden kann. Dabei werden mit Hilfe von Laborwerkzeugen DNA-Stücke eingefügt, verändert oder herausgeschnitten, die ein oder mehrere Gene von Interesse enthalten.

Das oberste Ziel der Pflanzenzüchter ist die Entwicklung von Pflanzensorten mit guten agronomischen Eigenschaften. Bei der konventionellen Pflanzenzüchtung gibt es jedoch wenig oder gar keine Garantie dafür, dass aus den Millionen von Kreuzungen eine bestimmte Genkombination hervorgeht. Unerwünschte Gene können zusammen mit erwünschten Genen übertragen werden; oder während ein erwünschtes Gen gewonnen wird, geht ein anderes verloren, weil die Gene beider Elternteile miteinander vermischt und in den Nachkommen mehr oder weniger zufällig neu sortiert werden. Diese Probleme schränken die Verbesserungen ein, die Pflanzenzüchter erzielen können.

Im Gegensatz dazu ermöglicht die Gentechnik den direkten Transfer eines oder einiger weniger interessanter Gene zwischen eng oder entfernt verwandten Organismen, um das gewünschte agronomische Merkmal zu erhalten (Abbildung 1). Nicht alle gentechnischen Verfahren beinhalten das Einfügen von DNA aus anderen Organismen. Pflanzen können auch verändert werden, indem ihre eigenen Gene entfernt oder ausgeschaltet werden.

Quelle: Agricultural Biotechnology (A Lot More than Just GM Crops). http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/.

Gene sind DNA-Moleküle, die für bestimmte Eigenschaften oder Merkmale kodieren. Eine bestimmte Gensequenz ist zum Beispiel für die Farbe einer Blume oder die Fähigkeit einer Pflanze verantwortlich, eine Krankheit zu bekämpfen oder in einer extremen Umgebung zu gedeihen.

Die Natur ist ihr eigener Gentechniker

Das „Teilen“ von DNA zwischen Lebewesen ist ein gut dokumentiertes natürliches Phänomen. Seit Tausenden von Jahren wandern Gene von einem Organismus zum anderen. Agrobacterium tumefaciens zum Beispiel, ein Bodenbakterium, das als „Gentechniker der Natur“ bekannt ist, hat die natürliche Fähigkeit, Pflanzen gentechnisch zu verändern. Es verursacht die Kronengallenkrankheit bei einer Vielzahl von breitblättrigen Pflanzen, wie Äpfeln, Birnen, Pfirsichen, Kirschen, Mandeln, Himbeeren und Rosen. Die Krankheit hat ihren Namen von den großen, tumorähnlichen Schwellungen (Gallen), die typischerweise an der Krone der Pflanze, knapp über dem Boden, auftreten. Im Grunde überträgt das Bakterium einen Teil seiner DNA auf die Pflanze, und diese DNA integriert sich in das Genom der Pflanze, was zur Bildung von Tumoren und damit verbundenen Veränderungen des Pflanzenstoffwechsels führt.

Anwendung der Gentechnik im Pflanzenbau

Gentechnische Verfahren werden nur dann eingesetzt, wenn alle anderen Techniken ausgeschöpft sind, d. h.d.h. wenn das einzuführende Merkmal im Keimplasma der Kulturpflanze nicht vorhanden ist; wenn das Merkmal mit konventionellen Züchtungsmethoden nur sehr schwer zu verbessern ist; und wenn es sehr lange dauern würde, dieses Merkmal mit konventionellen Züchtungsmethoden in die Kulturpflanze einzuführen und/oder zu verbessern (siehe Abbildung 2). Pflanzen, die durch Gentechnik entwickelt wurden, werden allgemein als transgene oder gentechnisch veränderte (GV) Pflanzen bezeichnet.

Die moderne Pflanzenzüchtung ist ein multidisziplinärer und koordinierter Prozess, bei dem eine Vielzahl von Werkzeugen und Elementen der konventionellen Züchtungstechnik, der Bioinformatik, der Molekulargenetik, der Molekularbiologie und der Gentechnik eingesetzt und integriert werden.

Entwicklung transgener Nutzpflanzen

Obwohl es viele verschiedene und komplexe Techniken gibt, die mit der Gentechnik verbunden sind, sind ihre Grundprinzipien relativ einfach. Die Entwicklung einer gentechnisch veränderten Kulturpflanze erfolgt in fünf Hauptschritten. Für jeden Schritt ist es jedoch sehr wichtig, die biochemischen und physiologischen Wirkmechanismen, die Regulierung der Genexpression und die Sicherheit des Gens und des zu verwendenden Genprodukts zu kennen. Noch bevor eine gentechnisch veränderte Pflanze für die kommerzielle Nutzung zur Verfügung gestellt wird, muss sie strenge Sicherheits- und Risikobewertungsverfahren durchlaufen.

Der erste Schritt ist die Extraktion von DNA aus dem Organismus, von dem bekannt ist, dass er die gewünschte Eigenschaft besitzt. Der zweite Schritt ist das Klonen des Gens, bei dem das betreffende Gen aus der gesamten extrahierten DNA isoliert wird, gefolgt von der Massenproduktion des klonierten Gens in einer Wirtszelle. Nach dem Klonen wird das Gen von Interesse so gestaltet und verpackt, dass es kontrolliert und ordnungsgemäß exprimiert werden kann, sobald es in der Wirtspflanze ist. Das veränderte Gen wird dann in einer Wirtszelle in Massenproduktion hergestellt, so dass Tausende von Kopien entstehen. Wenn das Genpaket fertig ist, kann es durch einen Transformationsprozess in die Zellen der zu verändernden Pflanze eingeführt werden. Die gebräuchlichsten Methoden zur Einführung des Genpakets in die Pflanzenzellen sind die biolistische Transformation (mit einer Genpistole) oder die Agrobacterium-vermittelte Transformation. Sobald das eingefügte Gen stabil ist, vererbt wird und in den nachfolgenden Generationen zum Ausdruck kommt, gilt die Pflanze als transgen. Die Rückkreuzung ist der letzte Schritt im gentechnischen Prozess, bei dem die transgene Pflanze mit einer Sorte gekreuzt wird, die wichtige agronomische Eigenschaften besitzt, und selektiert wird, um qualitativ hochwertige Pflanzen zu erhalten, die das eingefügte Gen in der gewünschten Weise exprimieren.

Die Dauer der Entwicklung einer transgenen Pflanze hängt vom Gen, der Pflanzenart, den verfügbaren Ressourcen und der behördlichen Genehmigung ab. Es kann 6-15 Jahre dauern, bis eine neue transgene Hybride für die kommerzielle Freigabe bereit ist.

Kommerziell erhältliche, durch Gentechnik verbesserte Pflanzen

Transgene Pflanzen werden seit 1996 in verschiedenen Ländern angebaut. Im Jahr 2018 wurden auf rund 191,7 Millionen Hektar transgene Pflanzen mit hohem Marktwert angebaut, darunter herbizidtolerante Sojabohnen, Mais, Baumwolle und Raps, insektenresistente Mais-, Baumwoll-, Kartoffel- und Reissorten sowie virusresistente Kürbisse und Papayas. Mit Hilfe der Gentechnik kann mehr als ein Merkmal in eine Pflanze eingebaut oder kombiniert werden. Transgene Nutzpflanzen mit kombinierten Merkmalen sind ebenfalls im Handel erhältlich. Dazu gehören herbizidtoleranter und insektenresistenter Mais, Sojabohnen und Baumwolle.

Neue und künftige Initiativen in der Pflanzengentechnik

Bislang haben kommerzielle gentechnisch veränderte Pflanzen Vorteile in der Pflanzenproduktion gebracht, aber es gibt auch eine Reihe von Produkten in der Pipeline, die einen direkteren Beitrag zur Lebensmittelqualität, zum Umweltnutzen, zur pharmazeutischen Produktion und zu Non-Food-Kulturen leisten werden. Beispiele für diese Produkte sind: Biotech-Reis mit dreifachem Trait und besserem Ertrag bei abiotischem Stress, Biotech-Kastanienbäume mit Resistenz gegen die Kastanienfäule, Biotech-Zitrusfrüchte mit Resistenz gegen Greening, mit Beta-Carotin angereicherte Kartoffeln, biofortifiziertes Sorghum, gegen die bakterielle Welke (Xanthomonas) resistente Bananen, gegen das Bunchytop-Virus resistente Bananen, insektenresistenter Weizen und andere mehr.

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*Aktualisiert März 2020