Die Zähmung der Pflanzen

Im ersten Teil dieser Serie ging es um die Grundlagen von Genomeditierung, insbesondere von CRISPR/Cas. Doch genetische Veränderung sind schon immer die Grundlage von Evolution und Züchtung. Bevor wir also dazu kommen, was mit CRISPR für die Pflanzenzüchtung möglich ist, soll es hier darum gehen, wie unsere heutigen Kulturpflanzen überhaupt entstanden sind und welche Methoden aus dem großen Werkzeugkasten der Pflanzenzüchtung dabei genutzt wurden.

Von der Entstehung der Kulturpflanzen

Vor etwa 10.000 Jahren begann eine Entwicklung, die das menschliche Leben wie wohl kaum eine andere grundlegend verändert hat. Die ersten Menschen begannen, statt als Jäger und Sammler rastlos auf der Suche nach Nahrung umherzuziehen, sesshaft zu werden, Pflanzen anzubauen und Tiere zu halten. Beständig wuchs dabei die Produktivität, bald konnte ein Mensch mehr Nahrung produzieren, als er selbst brauchte und so hatten andere die Zeit sich mit anderen Dingen zu beschäftigen: Handwerk, Naturbeobachtung, Kunst, Wissenschaft. Kurz gesagt: Lehrer*innen und Ärzt*innen können sich nur deswegen um Kinder und Kranke kümmern, weil Landwirt*innen ihre Nahrung herstellen. Diese Arbeitsteilung, die auf die Neolithische Revolution zurückgeht, ist damit Grundlage unserer heutigen Kulturen.

Doch sie veränderte nicht nur uns Menschen und unser Zusammenleben, sondern auch die Tiere und Pflanzen, deren Produkte wir essen und natürlich auch die Umwelt. Frühe Tierhalter trieben ihr Vieh in die Wälder, wo sie die jungen Bäume abfraßen. Als die alten auch abstarben, entstand mit den Wiesen ein völlig neuer Lebensraum. Der Mensch wandelte seine Umwelt zur Kulturlandschaft. Auf ähnliche Weise wurden aus Wildtieren Haustiere und aus Wildpflanzen Kulturpflanzen, die auf die menschlichen Bedürfnisse angepasst aber dadurch auch von uns abhängig sind. Um diese Domestikation und Züchtung von Kulturpflanzen soll es in diesem Text gehen.

Domestikation – die Zähmung wilder Pflanzen

Zu den ältesten kultivierten Pflanzen gehören die Getreide, allen voran die Gerste. Ihre Wildformen wurden schon früh von Menschen gesammelt und als Kohlenhydratquelle genutzt. Die ältesten Funde werden auf 50.000 v. Chr. datiert und stammen aus Südwestasien. Die erste domestizierte Gerste stammt aus archäologischen Funden aus dem heutigen Syrien, Israel und Irak und wird auf etwa 8.000 v. Chr. datiert. Eine Eigenschaft von Wildgräsern, die ihre Kultivierung, den geplanten Anbau und vor allem die Ernte extrem erschwert, ist ihre Spindelbrüchigkeit. Was kompliziert klingt ist trivial wie hinderlich: die Ähren wilder Gräser zerfallen bei der Reife, die Körner fallen von ihrer Elternpflanze ab und können sich so verbreiten. So war es auch bei den ersten kultivierten Getreidearten, was zu großen Verlusten bei der Ernte führte. Eines der ersten sogenannten Domestikationsmerkmale war darum die Spindelfestigkeit: Auch bei reifem Getreide bleibt die Ähre stabil, die Körner bleiben beisammen und können an der Pflanze geerntet und auf dem Hof ausgedroschen werden. Doch natürlich war die Gerste von nun auch allein auf die Verbreitung, die Aussaat durch den Menschen angewiesen. Wie man heute weiß, reicht für diese Eigenschaft die Mutation nur eines Gens aus, btr1. Gerste, in der dieses Gen nicht mehr funktioniert, hat eine stabile Spindel. Kulturgerste kann durch die Übertragung der funktionalen Wildform des Gens wieder spindelbrüchig werden. Während der Domestikation der Gerste dauerte es 2000 Jahre, bis sich dieses Merkmal ausbilden konnte und sich dann durch die gezielte Auswahl von Pflanzen mit dieser vorteilhaften Eigenschaft verbreiten konnte.

Eine Mutation im BTR1-Gen führt in domestizierter Gerste dazu, dass die Ähre nach der Kornreife nicht zerbricht, wie es bei wilder Gerste der Fall ist.
(c) Jochen Kumlehn

Ein weiteres beeindruckendes Beispiel für solche Veränderungen und Anpassungen ist der Kohl. Die meisten heute bekannten Kohlformen gehören derselben Art an und wurden aus dem unscheinbaren Wildkohl domestiziert und gezüchtet, durch Selektion auf so unterschiedliche Merkmale wie ein extrem verdickter Stängel (Kohlrabi), extrem vergrößerte Knospen in den Blattachseln (Rosenkohl), eine absurd geformte Blüte (Blumenkohl und Brokkoli) oder riesige Blätter (Grünkohl).

Fast alle heute erhältlichen Kohlsorten gehen auf den Wildkohl (Brassica oleracea). Durch Selektion auf unterschiedliche Merkmale wurden daraus Kohlrabi, Rosenkohl, Wirsing & Co.
Fast alle heute erhältlichen Kohlsorten gehen auf den Wildkohl (Brassica oleracea) zurück. Durch Selektion auf unterschiedliche Merkmale wurden daraus Kohlrabi, Rosenkohl, Wirsing & Co.
(c) Hendrik Hanekamp

Doch die Domestikation veränderte nicht nur bestehende Arten, sie schuf auch neue. Weizen, heute das Getreide mit der größten Anbaufläche weltweit, ist eine Kreuzung aus drei Arten und existiert so nur als Kulturform. Die Menschen domestizierten zunächst den Wilden Emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccoides), einer der Weizenvorfahren und selbst schon eine Kreuzung aus zwei Arten. Nach einer weiteren art- bzw. sogar gattungsübergreifenden Kreuzung mit dem Ziegengras (Aegilops tauschii) entstand daraus der Brotweizen (Triticum aestivum), der heute das wichtigste Grundnahrungsmittel in vielen Teilen der Welt ist.

Über tausende Jahre verlief so die Anpassung von Pflanzen auf die menschlichen Bedürfnisse und parallel wurden immer mehr Pflanzen domestiziert. Aus dem Fruchtbaren Halbmond, der Region des heutigen Israel, Syrien, Iran und Irak, stammen neben Getreide wie Gerste und Weizen auch Erbsen, Linsen und Bohnen. Aus Südamerika stammen Mais, Kartoffeln und Tomaten. Abgesehen von ihrer Domestikation reisten unsere Kulturpflanzen also auch um die ganze Welt. Kaum etwas, was heute bei uns auf dem Acker steht, hat wilde Verwandte in Mitteleuropa.

Ein Mönch und die Grundlage der modernen Pflanzenzüchtung

Als mit der Industriellen Revolution und den Fortschritten in der Medizin im 19. Jahrhundert auch das Bevölkerungswachstum zunahm, konnten Domestikation und einfache Selektion mit dem steigenden Bedarf an Nahrung kaum noch mithalten. Ende des 19. Jahrhunderts gab es jedoch mit der Entdeckung der Mendel’schen Regeln einen Entwicklungssprung hin zu einer wissensbasierten, planvollen Pflanzenzüchtung.

Der Mönch Gregor Mendel beobachtete bei Kreuzungsexperimenten mit Erbsen, dass sich Eigenschaften wie Blütenfarbe oder Farbe und Form der Erbsenkörner nicht zufällig, sondern nach einem bestimmten Muster vererbten. Dieses Wissen wurde fortan genutzt, um Pflanzen mit vorteilhaften Eigenschaften zu kreuzen und in ihren Nachkommen gezielt nach Pflanzen mit Kombinationen dieser Eigenschaften auszuwählen. Kreuzung und Selektion sind bis heute die Grundlage von Pflanzenzüchtung. Zunächst wird durch das Kreuzen eine große Vielfalt von Pflanzen unterschiedlichster Merkmalskombinationen erzeugt und aus diesen dann einige für die weitere Züchtung und Entwicklung von Sorten genutzt.

Werden zwei Pflanzen miteinander gekreuzt, enthalten die Nachkommen je zur Hälfte die genetische Information der beiden Eltern. Um beispielsweise eine Krankheitsresistenz einer wilden Verwandten mit einer Kultursorte zu kombinieren, sind deshalb anschließend viele Rückkreuzungen mit der Kultursorte notwendig.
(c) transgen.de

Neben Ertrag waren stets auch Inhaltsstoffe ein wichtiges Ziel von Züchtung. Pflanzen tun normalerweise eine Menge dafür, nicht gefressen zu werden. Beispielweise bilden Kürbisgewächse wie Gurken oder Zucchini von Natur aus bittere und sehr giftige Cucurbitacine. Den Kulturformen wurde diese Eigenschaft jedoch „weggezüchtet“, nur das macht sie zu genießbarem und bekömmlichem Gemüse. Andererseits wurden Kulturpflanzen durch das Fehlen der Abwehrstoffe auch anfälliger für Schaderreger, weshalb sie darauf angewiesen sind, dass der Mensch sie davor schützt. Resistenz ist darum ein weiteres wichtiges Zuchtziel. Doch Pflanzenzüchter*innen und Schaderreger befinden sich dabei in einem ständigen Wettlauf. Waren erstere erfolgreich darin, eine Resistenz zu etablieren, ist es häufig nur eine Frage der Zeit, bis letztere diese wieder überwunden haben; trotz aller Maßnahmen eines „Resistenzmanagements“, das neben Fruchtfolgen, resistenten Sorten und Anbautechniken auch Pflanzenschutzmittel beinhaltet. Alte Sorten sind deshalb auch meist anfälliger für Schaderreger als aktuellere. Ein extremes Beispiel ist Wein, bei dem oft jahrhundertealte Sorten über viele Jahrzehnte auf ein und derselben Fläche angebaut werden. Der Pflanzenschutzbedarf ist entsprechend so hoch wie bei kaum einer anderen Kultur. In dieser Co-Evolution von Schaderregern und ihren Wirtspflanzen den entscheidenden Schritt voraus sein zu können, ist eine große Herausforderung für die Pflanzenzucht.

Mit Strahlung und Chemikalien zu neuer Vielfalt im Zuchtgarten

Mit der Kreuzungszüchtung konnte schon deutlich gezielter und planmäßiger vorgegangen werden. Weiterentwicklungen wie die Hybridzüchtung führten zu großen Sprüngen im Ertragspotential von Pflanzen, welches sie durch weitere Entwicklungen bei Pflanzenschutz, Düngung und Landtechnik auch immer besser ausschöpfen konnten. Dennoch blieben die Züchter*innen, die sich nun immer mehr auf diese Aufgaben spezialisierten und so den Bauern diese zunehmend komplizierte Arbeit abnahmen, doch auf Eigenschaften angewiesen, die im Genpool der Kulturpflanzen schon vorhanden waren oder durch spontane Mutationen neu entstanden. Weil auch das bald nicht mehr ausreichte, mit dem wachsenden Bedarf an verbesserten Pflanzen mitzuhalten, begannen Forscher*innen und Züchter*innen in den 1930er Jahren mit Bestrahlung – zunächst mit Röntgen- später auch mit radioaktiver Gamma-Strahlung – Samen oder gar ganze Pflanzen zu behandeln und so die Mutationsrate stark zu erhöhen. Häufig führte das dazu, dass die Pflanzen abstarben, steril waren oder einfach „genetische Freaks“. Doch immer wieder waren auch vorteilhafte Eigenschaften darunter wie verkürzte Halme und erhöhter Ertrag bei Weizen und Gerste oder die unter Züchtern berühmte Mehltauresistenz der Gerste, die durch eine Mutation im MLO-Gen erzeugt wurde. Dieses „Atomic Gardening“ wurde in den 1950er und -60er Jahren sogar gezielt beworben. Auch wenn Bestrahlung heute eher selten geworden ist, werden etwa mutagene Chemikalien noch immer in Pflanzenforschung und Zuchtprogrammen eingesetzt. Diese Form der Mutagenese ist dabei gänzlich ungerichtet, es werden nach der Behandlung Pflanzen mit vorteilhaften Eigenschaften ausgewählt. Auf welchen Mutationen in welchen Genen sie beruhen und wie viele Gene unerkannt getroffen wurden, weiß man dabei nicht.

Durch Bestrahlung oder geeignete Chemikalien werden bei der Mutagenese zufällige Veränderungen (Mutationen) in den Genen von Pflanzen ausgelöst. Aus den so behandelten Pflanzen werden solche mit vorteilhaften Eigenschaften ausgewählt und für die Kreuzung genutzt. Dabei können unerwünschte Mutationen zu einem guten Teil herausgekreuzt werden, doch einige bleiben immer erhalten.
(c) transgen.de

Grüne Gentechnik: Mach’s wie das Agrobakterium

In den 1970er Jahren erforschte Jozef (Jeff) Schell mit Kolleg*innen am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln und der Uni Gent, wie das Agrobacterium tumorartige Wucherungen an Bäumen und Sträuchern auslöst. Sie entdeckten dabei, dass das Agrobacterium einige seiner Gene in Zellen der Pflanzen überträgt und diese damit dazu bringt, unkontrolliert zu wachsen und dabei bestimmte Zucker, von denen sich das Bakterium ernährt, herzustellen. 1983 zeigten Schell und seine Kolleg*innen dann, dass sie diese Fähigkeit der Agrobacterium nutzen können, um zuvor in das Bakterium übertragenen Gene in Pflanzen einbringen zu lassen: der Beginn der Grünen Gentechnik. Damit war es nun möglich, einzelne Gene und die von ihnen codierten Eigenschaften in Pflanzen zu übertragen, ohne ganze Genome mit tausenden von Genen durch Kreuzung zu kombinieren. Außerdem konnten damit auch Eigenschaften aus anderen Organismen wie Bakterien für die Pflanzenzüchtung nutzbar gemacht werden. Mitte der 1990er Jahre kamen in Amerika erste gentechnisch veränderte Nutzpflanzen auf den Markt. Neben Herbizidtoleranzen in Soja und Mais auch Insektenresistenzen in Mais und Baumwolle, die auf der gentechnischen Übertragung eines Gens aus dem Bacillus thuringiensis beruht und die Pflanzen widerstandsfähig gegen Raupenfraß macht. Während die Nutzung in der praktischen Züchtung bisher vor allem großen, international agierenden Firmen mit wenigen Kulturarten vorbehalten war, arbeiten an öffentlichen Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt Pflanzenforscher*innen an weiteren konkreten Anwendungen. So wurden an der Uni Wageningen in den Niederlanden Gene aus Wildkartoffeln auf Kulturformen übertragen, die dieses nun resistent gegen die Kraut- und Knollenfäule machen. In jahrzehntelanger konventioneller Kreuzungszucht war dies nicht gelungen. Die durch einen Pilz hervorgerufene Krankheit ist die bedeutendste im Kartoffelanbau und erfordert ja nach Witterung bis zu 15 Behandlungen mit Fungiziden in einer Anbausaison. Resistente Kartoffeln wären also ein wichtiger Beitrag, um den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zu reduzieren. In Bangladesh konnten Forscher*innen das Bt-Gen auch auf Aubergine übertragen und diese so resistent gegen die wichtigsten Schädlinge machen. Eine umfassende Liste mit unterschiedlichsten Anwendungen in unterschiedlichen Stadien bietet die Datenbank von transgen.de.

Bei der klassischen Gentechnik wird ein Gen, welches für eine bestimmte Eigenschaft codiert, aus dem Spenderorganismus isoliert, in das Agrobacterium übertragen, welches dieses Gen dann wiederum in eine Pflanzenzelle übertragen kann. Durch in-vitro-Kultur im Labor kann daraus eine Pflanze regeneriert werden, die nun nur dieses eine Gen zusätzlich enthält.
(c) transgen.de

Genetische Veränderungen sind die Grundlage von Evolution und Züchtung

Die Domestikation und Züchtung unserer Kulturpflanzen, wie wir sie heute kennen, basierte also schon immer auf genetischen Veränderungen. Viele dieser genetischen Grundlagen, auf denen die häufig fundamentalen Unterschiede zwischen Kulturpflanzen und ihren Wildformen beruhen, kennen und verstehen wir erst heute. Dabei sind sie die Voraussetzung von Vielfalt und Evolution und nicht zuletzt auch unserer heutigen Lebensweise in einer arbeitsteiligen Welt.

Genomeditierung: Der nächste Schritt ist ein Schnitt

Den vorerst letzten bedeutenden Entwicklungsschritt in der Pflanzenzüchtung stellt das „Genome Editing“ dar. Das dafür mittlerweile wichtigste Werkzeug, die Genschere Cas9, hat Anna im ersten Text dieser Serie vorgestellt. In der Pflanzenzüchtung ermöglicht es die Genomeditierung nun, Mutationen ganz gezielt an vorherbestimmten Positionen in der DNA von Pflanzen zu erzeugen. Was damit heute, nur wenige Jahre nach der Entwicklung dieser Methode schon möglich ist, wird Dominik im nächsten Teil unserer Serie beschreiben.

Bei der Genomeditierung werden zumeist “Genscheren” (vor allem Cas9) genutzt, die sich an eine vorgegebene Position in einem Gen der Pflanze navigieren lassen. Dort zerischneiden sie den DNA-Strang. Bei der Reparatur durch zelleigene Mechanismen können Fehler passieren – Mutationen, wie sie etwa auch durch UV-Strahlung der Sonne passieren können, nur eben an der vorhergesagten Position.
(c) transgen.de

 

Zum Weiterlesen:

Übersicht der Züchtungsverfahren bei transgen.de: https://www.transgen.de/forschung/2537.kreuzen-gentechnik-genome-editing-pflanzenzuechtung.html

Thomas Miedaner: „Kulturpflanzen Botanik – Geschichte – Perspektiven“, Springer Spektrum 2014, ISBN: 978-3-642-55292-2

13.05.2019: Nach fachkundigen Hinweisen gab es ein paar kleinere, präzise Edits im Text.

Robert Hoffie

Robert hat an der Uni Hannover Pflanzenbiotechnologie studiert. Jetzt ist er Doktorand am IPK Gatersleben und crispert dort an Gerste. Nebenbei versucht er sich in Wissenschaftskommunikation zu Gentechnik, Genome Editing und allem drum herum. Er twittert als @ForscherRobert.
Robert Hoffie

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