Viele unserer Kulturpflanzenarten sind genetisch verarmt – die Konsequenz einer oft „einseitigen“ Züchtung von Elitesorten in den letzten Jahrzehnten, die vor allem eins zum Ziel hatte: hohe Erträge und Anpassung an lokale Bedingungen. Diese Züchtungsziele sind per se nicht zu verurteilen, haben doch Hochertragssorten die Ernährung der Weltbevölkerung lange Zeit sichergestellt.

Doch dabei wurden sukzessive die Genpools vieler Kulturarten eingeengt. Gene für Eigenschaften wie Krankheits- und Schädlingsresistenzen, Nährstoffeffizienz oder für eine höhere Widerstandskraft gegenüber Hitze- oder Trockenstress blieben oft auf der Strecke.

Doch die Voraussetzungen haben sich nun grundsätzlich verändert. Mit der Farm-to-Fork-Strategie und dem Green Deal der Europäischen Union sollen bis 2030 die Mengen an Pflanzenschutzmitteln und Dünger um 50 bzw. 30 Prozent zurückgefahren werden. Ziel: Mehr Nachhaltigkeit, Arten- und Gewässerschutz. Der chemische Pflanzenschutz und die Mineraldüngung sind damit langfristig ein Auslaufmodell und neue Strategien für den Pflanzenbau erforderlich. Bis 2050 soll die Landwirtschaft auch noch klimaneutral werden. Hinzu kommen neue Erregertypen, die sich mit dem Klimawandel oder durch die zunehmende genetische Einengung des Genpools von Kulturpflanzen weltweit ausbreiten – ein Beispiel ist die pandemische Ausbreitung des Weizenbranderregers in Südamerika, Afrika und Asien. Und natürlich trifft der Klimawandel die Pflanzen direkt und sorgt zunehmend für Ertragseinbußen.

Oft haben Züchter:innen in ihrer Sortensammlung keine Spenderpflanze mehr für ein gewünschtes Merkmal, z. B. eine bestimmte Resistenz gegen eine Pflanzenkrankheit. Dann suchen sie im sogenannten erweiterten Genpool nach geeigneten Merkmalsträgern. Das sind Wildverwandte der Kulturpflanzen oder alte Sorten (z.B. sogenannte Landsorten), die züchterisch weniger stark bearbeitet wurden. Oft finden sich solche „alten“ Pflanzen gesichert in Genbanken wie der Bundeszentrale Ex-situ-Genbank beim IPK in Gatersleben.

Hat sich eine geeignete Akzession mit der gewünschten Eigenschaft gefunden, beginnt eigentlich erst das Problem. Durch sein sonstiges Eigenschaftsprofil entspricht eine alte Sorte oder gar Wildpflanze nicht den Anforderungen an Ertrag, Verarbeitungseigenschaften oder anderen Resistenz- oder Toleranzeigenschaften – für den Anbau völlig ungeeignet.

Daher muss durch Kreuzung die gewünschte Eigenschaft in eine moderne Sorte übertragen werden. Doch dabei vermischen sich die „guten“ Eigenschaften einer modernen Sorte mit vielen unerwünschten Eigenschaften der alten Sorte oder Wildart (Donorpflanze).

Und jetzt beginnt eine über viele Jahre andauernde Arbeit der Züchter:innen: Sie müssen die Kreuzungsnachkommen immer wieder mit der modernen Sorte kreuzen, um die unerwünschten Gene bzw. Eigenschaften der Donorpflanze sukzessive zu entfernen – und damit außer dem Wunschgen quasi den Rest der genetischen Information der Donorpflanze.

Aber das benötigt nicht nur sehr viele Jahre, sondern kann auch grundsätzlich scheitern. Wenn das Wunschgen des Donors mit weiteren unerwünschten Genen des Donors gekoppelt ist („linkage drag“, in diesem Bereich besteht keine ausreichende Rekombination bei der Meiose, um die Gene zu trennen), werden keine geeigneten Rückkreuzungnachkommen entstehen. In diesem Fall ist das Züchtungsprojekt gescheitert. Doch selbst bei einem Erfolg ist eine direkte Nutzung in der Züchtung noch nicht gesichert und es können Leistungsdepressionen bei anderen Merkmalen auftreten.

Bei den Werkzeugen für die Genomeditierung, umgangssprachlich auch Genscheren genannt, handelt es sich um verschiedene molekulare Systeme, mit denen einzelne Bausteine des Erbguts jeglicher Lebewesen gezielt und präzise umgeschrieben, also gewissermaßen editiert werden können. Die am häufigsten genutzte Genschere ist das bereits vorgestellte CRISPR/Cas9-System.

Die Nutzung von Genomeditierungstechniken kann im Vergleich zu den vorangegangen beschriebenen Methoden viele Jahre Züchtungsarbeit einsparen und zudem die dort beschriebenen unerwünschten „Nebenwirkungen“ vermeiden. Durch die gezielte Modifikation eines Zielgenes in einer modernen Sorte entfallen die besonders aufwändigen Rück­kreu­­zungs­schritte und die Sorte bleibt 100%-prozentig frei von unerwünschten „Wildgenen“ oder unerkannten negativen Mutationen.

Der Einsatz der Genscheren führt zu einer enormen Zeitersparnis bei der Züchtung. Schätzungen von Expertinnen und Experten zufolge können je nach Pflanzenart mit Genomeditierung im Vergleich zu konventionellen Züchtungsverfahren zwischen sechs und 50 Jahren eingespart werden.

DFG-Präsidentin Professorin Dr. Katja Becker: „Neue molekulare Züchtungstechniken erlauben eine bisher nie dagewesene Präzision und Effizienz in der Verbesserung von Nutzpflanzen. Dieses Potenzial sollte zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele ausgeschöpft werden.“

Mehrere aktuelle Forschungsprojekte zeigen eindrucksvoll, wie sich die Genschere bewährt hat und langjährige Rückkreuzungen überflüssig macht:

Im Weinbau sind der Echte und Falsche Mehltau gefürchtete Pilzkrankheiten, die bei entsprechender Witterung (längere Regenperioden) den gesamten Ertrag eines Weinberges gefährden können. Die Pilze befallen die grünen Teile der Reben und führen zu kleinen und ausgetrockneten Trauben. Bislang helfen den Winzer:innen hauptsächlich nur Schwefel- und Kupferfungizide, im konventionellen Weinbau auch chemische Fungizide. Der Verbrauch von Fungiziden ist dabei im Weinbau sehr hoch und pilzresistente Rebsorten noch nicht weit verbreitet.

Pilzresistente Rebsorten – bisher nicht einfach zu erzeugen

Es gibt bislang nur wenige Rebenlinien mit wirkungsvollen Resistenzgenen und das klassische Einkreuzen dieser Linien in etablierte Sorten wie Riesling, Pinot Noir und Co. gestaltet sich langwierig und nachteilig für die Weinqualität. Denn durch das Einkreuzen gelangen zur Hälfte die Gene der resistenten Linie in die Kreuzungsnachkommen – und diese bedingen ein stark verändertes Weinaroma. Erst nach zahlreichen Rückkreuzungsschritten erreicht der Wein wieder eine akzeptable Qualität, aber die charakteristischen sensorischen Eigenschaften der ursprünglichen Sorte gehen verloren. Dieser Prozess benötigt darüber hinaus auch ca. 20 Jahre. Auch hier kann die Genomeditierung die Lösung sein, da keine Kreuzungsschritte mehr notwendig sind.

Ausschaltung von „Empfindlichkeitsgenen“

So gelang einem Forschungsteam durch gezieltes Ausschalten von mehreren sogenannten „Empfindlichkeitsgenen“ einer Rebsorte – diese Gene bzw. Genprodukte nutzen die Erreger für eine erfolgreiche Infektion der Pflanze – die Resistenz der Rebe stark zu erhöhen. Die Symptome einer Mehltauinfektion reduzierten sich um über 90 Prozent. Die genomeditierten Pflanzen enthalten keinerlei fremdes Erbgut oder fremde Proteine.

Quelle: Olivares F et al. (2021) CRISPR/Cas9 targeted editing of genes associated with fungal susceptibility in Vitis vinifera L. cv. Thompson Seedless using geminivirus-derived replicons. Frontiers in Plant Sciences 12. doi: 10.3389/fpls.2021.791030

Der Jordanvirus ist ein relativ neuer Erreger von Tomatenpflanzen, der erstmals 2014 in Israel entdeckt wurde. Seitdem breitet sich das Virus weltweit aus, 2018 wurden die ersten Infektionen auch in Europa nachgewiesen. Aufgrund seiner großen Schäden ist er ein meldepflichtiger Quarantäneorganismus, der bisher nicht bekämpft werden kann. Lediglich das Entfernen und Verbrennen infizierter Pflanzen bremst seine Ausbreitung.

Das Virus gehört zur Gruppe der Tobamoviren und aus Experimenten mit der Modellpflanze Arabidopsis war bereits bekannt, dass das Virus für seine Vermehrung die pflanzlichen Gene TOM1 und TOM2 benötigt.

Mittels Genomeditierung hat daher eine Forschungsgruppe die fünf Varianten von TOM1 in der kommerziellen Tomatensorte Craigella ausgeschaltet. Nach Infektion der Pflanzen konnte das Virus nach einigen Tagen nicht mehr nachgewiesen werden, während nicht-editierte Pflanzen einen starken Virusbefall aufwiesen.

Quelle: Ishikawa M et al. (2022) Tomato brown rugose fruit virus resistance generated by quadruple knockout of homologs of TOBAMOVIRUS MULTIPLICATION1 in tomato. Plant Physiology 189 (2): 679-686. doi: 10.1093/plphys/kiac103

An Zöliakie, eine Unverträglichkeit gegenüber dem Kleberweiß Gluten in vielen Getreideprodukten, leidet etwa ein Prozent der Bevölkerung. Das Gluten verursacht starke Entzündungen im Dünndarm. Die Betroffenen müssen Lebensmittelprodukte mit Weizen, Roggen und Gerste meiden. Da eine ausgewogene Ernährung dadurch deutlich schwerer umzusetzen ist, kommt es bei den Patienten oft auch zu einer Unterversorgung an bestimmten Nährstoffen.

Die Züchtung von glutenfreien Weizen ist bisher nicht gelungen. Grund dafür ist, dass eine Vielzahl von Genen im Weizengenom enthalten sind, die für Glutene (Gliadine und Glutenine) codieren. Mit der konventionellen und ungerichteten Mutationszüchtung könnten prinzipiell diese Gene ausgeschaltete werden. Aber um die dabei zwangsläufig auch entstehenden zahlreichen unerwünschten Mutationen wieder zu entfernen und alle Gluten codierenden Gene zu inaktivieren, wären zahlreiche Mutationsschritte sowie äußerst aufwändige Kreuzungs- und Rückkreuzungsschritte notwendig. Experten sind sich einig, dass dies beim hochkomplexen Weizengenom ein aussichtloses Unterfangen wäre.

Ein erfolgversprechender Ansatz ist die Genomeditierung. Bislang gelang es mit dieser Methode, 35 von 45 Gliadin-Gene zielgerichtet auszuschalten und damit den Gliadin-Anteil im Brotweizen um 82 Prozent zu senken. Eine weitere Senkung ist noch erforderlich, damit keine Zöliakie mehr ausgelöst wird. Auch muss dabei noch beachtet werden, dass bestimmte „gute“ Glutenanteile erhalten bleiben: Sie sind dafür verantwortlich, dass der Weizen seine Backfähigkeit behält.

Quelle: Sanchéz-León S et al. (2017) Low-gluten, nontransgenic wheat engineered with CRISPR/Cas9. Plant Biotechnology Journal 16 (4): 902-910. doi: 10.1111/pbi.12837