Das waren die Meilensteine

Anschaulich erklärt: Warum die Pflanzenzüchtung der Motor der Landwirtschaft ist

Die hohen und stabilen Erträge verdanken wir maßgeblich der Züchtung. Jetzt kommt es darauf an, neue Technologien nicht auszubremsen, denn die Herausforderungen sind größer denn je.

Unser Autor: Thomas Miedaner, Universität Hohenheim, Landessaatzuchtanstalt Stuttgart

Lange Zeit waren Mineraldünger und chemischer Pflanzenschutz die Ertragsmotoren der deutschen Landwirtschaft schlechthin. Die Aufgabe der Pflanzenzüchtung bestand darin, die dazu passenden Sorten zu liefern.

Mit der Einschränkung der Stickstoffdüngung (Rote Gebiete), dem Wegfall vieler Pflanzenschutzwirkstoffe und dem fortschreitenden Klimawandel wird die Züchtung von Sorten, die durch Nährstoffeffizienz und Pflanzengesundheit weiterhin unsere Erträge sichern, zum wichtigsten Zukunftsfaktor. Allerdings steht die Pflanzenzüchtung vor immensen Herausforderungen. Die politischen Reglementierungen setzen dem schnellen Fortschritt gerade deutliche Grenzen.

Meilensteine der Pflanzenzucht

Die Pflanzenzüchtung trug schon immer erheblich zum Fortkommen der deutschen Landwirtschaft bei. Eine statistische Auswertung durch die Universität Hohenheim verdeutlicht den kontinuierlichen Ertragsanstieg bei den Wintergetreidearten von 1988 bis 2017. Dies zeigte sich am stärksten bei Hybridroggen (+18,8 dt/ha), gefolgt von Weizen (+14,2 dt/ha), zwei- bzw. mehrzeiliger Wintergerste (+16,6 bzw. +15,7 dt/ha) und am schwächsten bei Populationsroggen (+6,3 dt/ha). Diese Ertragsfortschritte erzielten die Kulturen in der Variante ohne Fungizide und Wachstumsregulatoren. Das belegt eindrücklich den Erfolg der Züchtung!

Dass diese Zuchtfortschritte nicht genauso in der Praxis ankommen, liegt an einer z.T. geringeren pflanzenbaulichen Intensität, an klimatischen Eigenschaften und stark streuenden Bodenverhältnissen innerhalb Deutschlands. Erfolge gab es auch bei neuen Qualitäts- und Resistenzeigenschaften, die in den letzten Jahrzehnten auf den Markt kamen. Meilensteine waren:

  • verbesserte Brauqualität,
  • Selbstversorgung mit qualitativ hochwertigem E-Weizen, der Einfuhren aus Kanada überflüssig machte und
  • erstmalig erzielte Speisequalität beim Rapsöl durch erucasäurefreie Sorten.

Die zunehmende Anbauwürdigkeit von Silomais, die Einführung der Triticale und die 00-Qualität bei Raps brachte zudem der Tierfütterung wesentliche Impulse. Die ersten Resistenzen gegen Nematoden bei Kartoffeln, gegen das Rizomania-Virus bei Zuckerrüben und gegen den Gelbmosaikviruskomplex bei Gerste retteten gar den Anbau dieser wichtigen Kulturpflanzen.

Wohlstand durch Züchtung

Die deutsche Pflanzenzüchtung trug zwischen 1991 und 2010 mit rund 9 Mrd. Euro zum deutschen Bruttosozialprodukt bei. Und das betrifft nur die Primärproduktion. Da sich Züchtung auch um die Rohstoff- und Verarbeitungsqualitäten kümmert sowie Energiepflanzen optimiert, liegt der gesamtgesellschaftliche Nutzen um ein Vielfaches höher. Ohne die Fortschritte der deutschen Pflanzenzüchtung in den letzten 20 Jahren würden jährlich weltweit 2,53 Mio. t weniger Weizen produziert, die 38 Mio. Menschen ernähren.

Diese Fortschritte wurden jedoch nicht nur durch Kreuzung und Auslese erzielt, sondern durch die laufende Einbettung neuer Methoden in den Zuchtprozess und die enge Verzahnung mit der praktischen Pflanzenzüchtung.

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Mit jeder neuen Technologie wird die Züchtung schneller, effizienter oder zielgerichteter. (Bildquelle: Miedaner)

Durchbruch Hybridzüchtung

In den 1930er-Jahren etablierten Forscher in den USA die Hybridzüchtung bei Mais in der Praxis. Schon damals war die USA Europa deutlich voraus. In Deutschland erlangte erst 1965 die erste Maishybride die Zulassung. Das war der Durchbruch für eine züchterisch veränderte Kulturpflanze, die heute nach Weizen die zweitwichtigste in Deutschland ist!

Die Hybridzüchtung führt dabei durch die gezielte Kreuzung reinerbiger Inzuchtlinien nicht nur zu höheren Erträgen, sondern auch zu einer größeren Homogenität der Bestände und einer einfacheren Implementierung neuer Zuchtziele. Das zeigt sich am Vergleich von Populations- und Hybridroggen. Letzterer hat einen dreifach so hohen Zuchtfortschritt.

Auch in Raps und Kohl ist die Hybridzüchtung erfolgreich. Bei den reinen Selbstbefruchtern Weizen, Triticale und Gerste allerdings steht der Durchbruch noch aus, weil zu viele methodische Hindernisse bestehen und die ökonomische Situation nicht überzeugt.

Turbo durch Zell- und Gewebekultur

Der Vorteil bei Pflanzen ist, dass sich aus einzelnen Zellen oder Geweben wieder vollständige Pflanzen erzeugen lassen. Seit den 1970er Jahren nutzen Pflanzenzüchter einzelne Techniken, um den Züchtungsprozess so zu beschleunigen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um drei Verfahren: Embryokultur, Doppelthaploidmethode und Klonung.

Die Doppelthaploiden-Methode ist heute Standard in der Züchtung von Mais und Gerste. Sie verkürzt etwa bei Gerste das Zuchtverfahren um zwei bis drei Jahre. Bei Mais kann man durch zusätzliche Zwischengenerationen auf der Südhalbkugel innerhalb von vier Jahren eine anmeldereife Sorte züchten.

Von der Klonung profitieren Verbraucher beinahe täglich. Züchter gewinnen im Reagenzglas z.B. innerhalb von etwa zehn Monaten bis zu 10.000 genetisch identische Kartoffelknollen. Auch viele Zierpflanzen werden so vermehrt. Das ist z.B. der Grund, warum einzelne Orchideenarten so billig sind. Die Gewebekultur ist auch die Voraussetzung für Gentechnologie und Genomeditierung. Jede Pflanzenart benötigt dabei für jede Methode andere Rezepte und Laborbedingungen.

Die Kunst, Eigenschaften vorhersagen zu können

Ein weiterer großer Erfolg der Züchtung war erreicht, als sich Anfang der 1990er-Jahren mithilfe der DNS-Diagnostik direkt das Erbgut analysieren ließ. Dies wurde durch molekulare Marker ermöglicht, DNS-Abschnitte, die sichtbar gemacht werden können und deren Lage auf den Chromosomen bekannt ist. Wenn sie in der Nähe von Genen liegen, die für eine Eigenschaft verantwortlich sind, kann man genau diese Eigenschaft bereits im Labor selektieren. Paradebeispiele dafür sind Rost- und Mehltauresistenzen bei Getreide oder Virusresistenzen.

Der große Vorteil der molekularen Marker ist, dass Züchter sie bereits in frühen Jugendstadien der Pflanze nutzen können und sie unabhängig von der Witterung sowie sonstigen Eigenschaften sind. Deshalb werden sie heute auch routinemäßig eingesetzt. Will man etwa eine virusanfällige und eine virusresistente Pflanze kreuzen, kann man in der ersten spaltenden Generation bereits zwei Wochen nach deren Aussaat, die virusresistenten Nachkommen im Labor bestimmen und nur diese weiterbearbeiten. Zusammen mit den Fortschritten der Doppelthaploiden-Technik bezeichnet man dies als Präzisionszüchtung.

Schwieriger ist es, wenn ein Merkmal durch viele Gene vererbt wird, was aber meistens der Fall ist. Hier kam man erst weiter, als es technisch möglich wurde, Zehntausende von Markern gleichzeitig anzuwenden. Damit wird jetzt das ganze Genom so fein abgedeckt, dass auch komplexe Eigenschaften, wie Kornertrag und Qualitäten, im Labor ausgelesen werden können. Nur noch diese Genotypen finden dann Eingang in die mehrortigen und mehrjährigen Feldprüfungen. Diese bleiben unverzichtbar, weil die Vorhersage komplex vererbter Eigenschaften nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit möglich ist. Zudem müssen sich alle Züchtungsprodukte im Feld mit ihrer Gesamtheit an Eigenschaften beweisen. Nur so erhalten sie die Sortenzulassung. Aber immerhin wird die Zahl der nötigen Prüfungen dadurch um 50 bis 70% verringert.

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Kameras und Sensoren erleichtern die Selektion im Feld (Bildquelle: Miedaner)

Zeit ist Geld!

Geschwindigkeit bedeutet bares Geld. Mithilfe technischer Tricks ist es heute möglich, die Generationenfolge noch weiter zu beschleunigen. Durch die Verwendung einer Kombination von LED-Lampen, einer feinen Temperatursteuerung und sehr hohen Tageslängen lassen sich heute in Gewächshäusern drei Generationen Winterweizen im Jahr erzeugen, bei Sommergetreide sind es fünf, bei der Sojabohne sogar sechs!

Zusammen mit der Analyse des ganzen Genoms durch Markerchips lässt sich so eine Hochgeschwindigkeitszüchtung (speed breeding) etablieren, die bei Wintergetreide bereits nach vier bis fünf Jahren zur fertigen Sorte führt.

Auch für die zuvor beschriebenen Feldprüfungen gibt es technische Fortschritte, die die Selektionsarbeit effizienter machen. Dazu gehören Hyperspektral- und Thermokameras sowie andere Sensoren, die in der Lage sind, Wuchshöhe, Pflanzenlücken, Bestandesdichte, Krankheitsbefall, Trockenstress und Biomasse über eine geeignete Wellenlängenkombination bzw. Sensorfusion zu quantifizieren.

Gen- und Genomtechniken bringen neue Eigenschaften

Der Streit über Gentechnik in der Pflanzenzüchtung schwelt in Deutschland seit fast 40 Jahren ohne wirkliches Ergebnis. Dabei beruht der herkömmliche Gentransfer darauf, dass man in einem aufwendigen Laborverfahren einzelne Gene aus anderen Organismen in Kulturpflanzen einbringt. 1985 brachte die USA erstmals gentechnisch veränderte Organismen (GVO) in die freie Natur aus. Es waren „Eis-Minus“-Bakterien, die bei empfindlichen Pflanzen Frostschäden verhindern sollten.

1990 folgte Deutschland mit gentechnisch veränderte (gv) Petunien und drei Jahre später mit Kartoffeln. Aber über Freisetzungsexperimente hinaus gab es in Europa keinen Fortschritt – seit 2012 finden auch diese kaum noch statt.

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Außerhalb von Europa spielen gentechnisch veränderte Kulturpflanzen eine wesentliche Rolle in der landwirtschaftlichen Produktion. (Bildquelle: ISAAA Report)

Weltweit sieht das ganz anders aus. Hier stehen stabil auf rund 190 Mio. ha (2019) gv-Pflanzen. Dabei handelt es sich meistens um Baumwolle und Sojabohnen, bei denen 79 bzw. 74% der weltweiten Anbaufläche mit gv-Sorten bestellt sind. Bei Mais und Raps sind rund 30% genverändert. Inzwischen wachsen auch auf 1,8 Mio ha gv-Sorten kleinerer Arten, wie Luzerne, Zuckerrüben, Kartoffeln, Papayas, Zucchini, Auberginen und Zuckerrohr. Meist sind diese entweder mit einer Herbizidtoleranz ausgestattet, mit einem Gen zur Produktion des Bt-Eiweißes, das Insekten bekämpft, oder mit beidem.

Die wichtigsten Anbauländer sind USA, Brasilien, Argentinien, Kanada und Indien. In Europa spielt das alles keine Rolle. Hier bringen es Spanien und Portugal zusammen lediglich auf eine Gesamtanbaufläche von rund 100.000 ha gv-Mais.

Gene gezielt verändern

Der Gentransfer wird gerade weitgehend durch die Genomeditierung (GE) abgelöst. Dies ist ein Verfahren, das die gezielte Veränderung einzelner Bausteine (Nukleotide) innerhalb eines Gens ermöglicht. Dadurch lässt sich dieses ausschalten. Das ist derzeit die Standardtechnik. Oder man verändert Gene so, dass sie eine andere Eigenschaft zeigen. Ein konkretes Beispiel ist die Entwicklung krankheitsresistenter Sorten. Es gibt zahlreiche Gene, die es einem Krankheitserreger erst ermöglichen in die Zellen einzudringen. Wird das Gen für diese Andockstelle verändert, sind die Pflanzen vor Virusbefall geschützt.

Eine andere Möglichkeit ist es, in Wildpflanzen vorkommende Resistenzgene in der Kulturpflanze nachzubauen. Häufig beruht der Unterschied zwischen anfällig und resistent nur auf wenigen Nukleotiden innerhalb eines Gens. Verändert man das Anfälligkeitsgen an genau diesen Stellen, werden die Pflanzen resistent. Während die herkömmliche Kreuzung und Selektion in diesem Fall oft 20 Jahre und mehr dauert, bis eine konkurrenzfähige resistente Sorte entwickelt ist, verkürzt sich das Verfahren durch Genomeditierung auf ein bis zwei Jahre.

Voraussetzung ist jedoch, dass die Abfolge der Basenpaare des Gens und seine Funktion bekannt sind und die Kulturpflanze zellkulturtauglich ist. Beides ist nicht trivial. Wir kennen bisher nur einen Bruchteil wichtiger Gene bei den Kulturpflanzen so genau, dass damit Genomeditierung möglich ist.

Deshalb wird die Rolle der Genomforschung immer wichtiger. Dabei versucht man, alle Gene einer Pflanze in ihrer Funktion und ihre Wechselwirkungen mit der Umwelt zu verstehen. Die vollständige Sequenzierung gelang bei Weizen 2018, bei Roggen 2021.

Während die USA GE-Kulturen anbauen…

Die Möglichkeit der Genomeditierung (GE) hat einen wahren Boom ausgelöst. Seit 2018 wird in den USA bereits großflächig im Feld eine Sojabohne angebaut, bei der die Veränderung von zwei Genen den Anteil der erwünschten Ölsäure von ca. 25 auf 80% gesteigert hat.

Inzwischen sind in den USA mehr als 25 genomeditierte Nutzpflanzen von Alfalfa bis Zitrus als dereguliert eingestuft (siehe Kasten), darunter etwa Mais mit besonderer Stärkezusammensetzung (Waxy Corn), gegen Zystennematoden resistente Sojabohnen, Tabak mit weniger Nikotin, Raps mit stabileren Samenkapseln, Futterpflanzen mit besserer Verdaulichkeit (Luzerne, Mais) bis hin zu Tomaten für Urban Farming.

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Ertragszuwachs, Resistenzen und veränderte Inhaltsstoffe stehen im Fokus der Forschung (Bildquelle: JRC)

…forscht Europa noch

Innerhalb Europas liegt Deutschland bei der Forschung mit 37 Projekten vorn, gefolgt von Frankreich. Doch die Forschung alleine genügt nicht, es müssen Versuche im Freiland durchgeführt werden und zumindest die Perspektive eines praktischen Anbaus bestehen. Die Aussicht darauf zerstörte jedoch das Urteil des Europäischen Gerichtshofs (EuGH) vom Juli 2018, das genomeditierte Pflanzen mit denjenigen aus klassischer Gentechnik gleichgestellte.

Niemand würde in Europa Lebensmittel mit einem GVO-Label kaufen. Obwohl rund die Hälfte der neu zugelassenen Arzneimittel mit Gentechnik produziert werden, ebenso viele Vitamine, Hilfsstoffe und die Einfuhr von gv-Pflanzen in die EU kein größeres Problem darstellt. Bis August 2021 waren 85 gv-Merkmalskombinationen in Pflanzen genehmigt, die im Wesentlichen als Futtermittel (Soja, Mais, Raps) oder zur Herstellung von Kleidung (Baumwolle) verwendet werden.

Nachdem sämtliche Wissenschaftsorganisationen gegen das Urteil des EuGH Stellung bezogen, hat die EU im April 2021 eine Studie veröffentlicht, die klar zeigt, dass Genomeditierung wesentlich zur EU-Politik des Grünen Deals beitragen kann. Es gibt jetzt einen Fahrplan, um das über 20 Jahre alte Gentechnikgesetz zu novellieren. Für Mitte 2023 ist die Annahme durch die Kommission geplant.

Herausforderungen bleiben

Die Pflanzenzüchtung kannte bisher schon keinen Stillstand und die zukünftigen Aufgaben erfordern ständig weitere Anstrengungen. Gefordert sind resistente Sorten mit erhöhter Stickstoffeffizienz. Um dem Klimawandel zu begegnen, brauchen wir trockentolerante Sorten, die jedoch auch unter Normalbedingungen hohe Produktivität zeigen. Bei unserer Hochertragslandwirtschaft nützen keine Typen, die nur unter Spezialbedingungen gut wachsen. Dabei sorgen ertragreiche Pflanzen weltweit dafür, dass wir mit weniger Ackerland auskommen. Auch eine höhere Standfestigkeit ist gefragt, da es in Zukunft noch öfter zu Starkregen und starken Winden kommen wird. Ein Teil dieser Merkmale lässt sich durch den züchterischen Prozess mit mehrjährigen Feldprüfungen quasi „automatisch“ selektieren, wenn sich die Folgen des Klimawandels langsam und kontinuierlich vollziehen.

Ein besonderes Problem wird in Zukunft die Resistenz gegen Insekten sein. Beim Raps zeigt sich das heute schon, bei Mais stehen noch einige neue Stängel- und Wurzelbohrer vor der Tür und auch bei Getreide werden durch zunehmende Trockenheit die Probleme mit Schadinsekten ansteigen. Trotz einiger bekannter und hoch effizienter Gene, etwa gegen die Orangerote Weizengallmücke, gibt es kaum Konzepte zur Insektenresistenz. Die Erreichung dieser neuen Zuchtziele könnte durch Gentechnik und Genomeditierung deutlich schneller stattfinden, wenn man sich nur darauf einlassen dürfte.

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So regeln die USA Genomeditierung

Forscher und Unternehmen können vom US-Landwirtschaftsministerium (USDA) prüfen lassen, ob die jeweiligen Pflanzen unter das dortige Gentechnikrecht fallen oder nicht („Am I Regulated“ Process). Schriftlich wird dargelegt, welche Gene mithilfe der Genomeditierung abgeschaltet/verändert wurden und dass die so editierten Pflanzen nachweislich keine von außen eingeführte Fremd-DNS enthalten (Null-Segreganten).

Nach der Genehmigung durch die US-Behörde gelten die Pflanzen als „dereguliert“. So ist es möglich, sie ohne weitere Auflagen anzubauen und zu vermarkten. Damit orientiert sich die USA ebenso wie viele andere außereuropäische Länder an dem Grundsatz, dass eine Genehmigung erfolgt, wenn diese Pflanzen auch durch herkömmliche Methoden oder zufällige Mutationen hätten entstehen können.

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