Pflanzenforschung 4.0 - Von der Wildpflanze zur Nutzpflanze

Bei Kreuzungsversuchen mit Erbsen stellte der Augustinermönch Gregor Mendel 1866 bestimmte Gesetzmäßigkeiten der Vererbung auf, die später als Mendelsche Regeln bekannt wurden. Mit den drei von Mendel aufgestellten Regeln ließ sich erstmals genau vorhersagen, wie die Eigenschaften bei einer Kreuzung von den Elternpflanzen auf die Tochterpflanzen vererbt werden. Erst die Entdeckung der Mendelschen Regeln ermöglichte eine zielgerichtete, bewusste Züchtung. Seine Regeln sind auch heute noch die Basis der Vererbungslehre.

Vor einigen Jahren wurden die bisherigen Methoden der Pflanzenzüchtung um die sogenannte Genom-Editierung erweitert. Unter diesem Begriff werden verschiedene molekularbiologische Methoden zusammengefasst, bei denen die DNA (mit Hilfe programmierbarer molekularer Scheren) zunächst gezielt geschnitten wird. Beim anschließenden Reparaturprozess der Zelle kommt es zu Veränderungen der DNA-Sequenz im Bereich der Schnittstelle. Häufig nennt man diese Methoden, zu denen beispielsweise CRISPR/Cas9, Zinkfingernukleasen oder TALEN gehören, auch Gen-Scheren.
Die wohl bekannteste und aktuellste Methode der Genom-Editierung ist CRISPR/Cas9. Ursprünglich stammt dieses System aus Bakterien und dient dort als Abwehrsystem gegen Viren. Der Mechanismus an sich ist jedoch universell und funktioniert nicht nur in Bakterien sondern in allen Zellen – auch in denen von Tieren und Pflanzen. Für diese Entdeckung und die Weiterentwicklung dieses Systems zu einem molekularbiologischen Werkzeug erhielten die beiden Wissenschaftlerinnen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier 2020 den Nobel-Preis für Chemie.

Weizen gehört zu den ältesten Kulturpflanzen der Welt und ist nach der Gerste die am längsten kultivierte Getreideart. Biologisch gehört der Weizen zur Familie der Gräser. Die ersten Wildformen des Weizens hatten den Nachteil, dass die Körner, wenn sie reif waren, von der Ähre abfielen. Diese Eigenschaft nennt man Spindelbrüchigkeit. Zu Beginn des Getreideanbaus wählte der Mensch daher diejenigen Pflanzen aus, deren Samen möglichst lange an der Ähre verblieben und vermehrte diese weiter. Dadurch konnten höhere Erträge erzielt werden. Unser heutiger Weizen gehört zur Gattung „Triticum“. Entstanden ist der Weizen aus einer Urform des Einkorns, das mehrmals mit Wildgräsern gekreuzt wurde. Bei jeder Einkreuzung ist dabei die Anzahl der Chromosomen, also der Träger der Erbinformation, gestiegen. Unser heutiger Brotweizen besitzt ganze 6 Chromosomensätze, das heißt von jedem Gen gibt es 6 Kopien, er wird daher auch als „hexaploid“ bezeichnet.

Eines der bekanntesten Beispiele der grünen Gentechnik ist der sogenannte Bt Mais. Bei Bt Mais wird durch gentechnische Methoden ein Gen aus dem Bodenbakterium Bacillus thuringensis, daher der Name Bt, in das Erbgut der Pflanze eingebracht. Diese bildet daraufhin das Bt Protein, das als Fraßschutz vor bestimmten Schädlingen wie dem Maiszünsler dient.
Da das Bt Protein sowohl für den Menschen als auch für die allermeisten Insekten harmlos ist, werden Bt Präparate auch im ökologischen Landbau eingesetzt. Bt Mais hat in Regionen mit einem sehr hohen Schädlingsbefall deutliche Vorteile gegenüber anderen Bekämpfungsmethoden, da durch diese Methode ein effektiver und gezielter Schutz der Pflanzen und somit auch der Ernteerträge gewährleistet wird. Darüber hinaus kann der Anbau von Bt Mais auch den Einsatz von chemischen Pestiziden verringern.    
Momentan wird gentechnisch veränderter Mais nur in wenigen Ländern Europas wie Spanien und Portugal angebaut. In Deutschland hat man sich dazu entschieden, derzeit keine gentechnisch veränderten Pflanzen für den Anbau zuzulassen.

Die Neuen Züchtungsmethoden könnten jedoch nicht nur zur Bewältigung der durch den Klimawandel verursachten Herausforderungen einen Beitrag leisten, sondern auch im Bezug auf den Einsatz von Pestiziden den Übergang zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft unterstützen. Phytophtora infestans - die Kraut- und Knollenfäule verbreitete sich vor rund 150 Jahren. Die Kartoffelkrankheit erlangte traurige Berühmtheit, als sie in der Mitte des 19. Jahrhunderts in Irland zu schlimmen Hungersnöten unter der Bevölkerung führte. Der Pilz zerstörte damals mehrere Jahre hintereinander fast die gesamte Ernte. In der dadurch ausgelösten Hungerkatastrophe starben insgesamt etwa eine Million Menschen.
Heute werden zur Bekämpfung der Kraut- und Knollenfäule chemische Pflanzenschutzmittel oder wie im Ökolandbau Kupferverbindungen eingesetzt, was jedoch die Umwelt massiv belastet. Verschiedene Wildkartoffelarten sind hingegen resistent gegen den Pilz. Seit mehreren Jahren versucht man deshalb, diese Resistenz durch gängige Züchtungsmethoden in die Kultursorten einzubringen. Die Züchtung von Kartoffeln gestaltet sich jedoch aufgrund der komplexen Vererbungsmuster sehr schwierig und zeitaufwendig. Auch hier könnte die Genom-Editierung einen Vorteil gegenüber klassischen Züchtungsmethoden bieten.