Warum wir genetisch veränderte Lebensmittel brauchen werden

Anzeichen der Krautfäule treten in Irland plötzlich, aber vorhersehbar auf, sobald das Sommerwetter feucht wird, Sporen des pilzartigen Pflanzenpathogens über die offenen grünen Felder wehen und auf den nassen Blättern der Kartoffelpflanzen landen. Dieses Jahr fing es Anfang August an zu regnen. Innerhalb weniger Wochen hatte die Krautfäule eine kleine Kartoffelparzelle in einer Ecke des sauberen Rasters von Testpflanzungen am Hauptsitz von Teagasc, Irlands Landwirtschaftsbehörde, in Carlow angegriffen.

Es ist jetzt mehr als ein Monat nach dem ersten Schlag der Kartoffelpflanzen und noch einige Wochen, bis die Ernte geerntet wird. Ein großes Landhaus, in dem Teagasc angesiedelt ist, überblickt die Feldversuche, und gut gekleidete irische und EU-Bürokraten strömen ein und aus. Ein Großteil des weitläufigen Gebäudes wurde im 19. Jahrhundert erbaut, während der schlimmsten Hungersnot, die ausgelöst wurde, als die Kartoffelernte Irlands von der Fäule verwüstet wurde. Solche Hungersnöte sind lange vorbei, aber die Pflanzenkrankheit bleibt eine kostspielige Qual für die Bauern des Landes, da sie ihre Ernten häufig mit Fungiziden übergießen müssen. Im Rahmen eines EU-weiten Projekts namens Amiga zur Untersuchung der Auswirkungen von gentechnisch veränderten (GV) Pflanzen testet der Teagasc-Forscher Ewen Mullins Kartoffeln, die gegen Fäule resistent sind. (Sehen Sie sich unten auf dieser Seite oder hier ein Video von Mullins und gv-Kartoffeln in Irland an.)

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2014

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Es ist luftig, und obwohl der Sommer vorbei ist, ist es immer noch warm und feucht. Perfektes Wetter für Fäule, sagt Mullins. Er beugt sich über die herkömmlich gezüchteten Pflanzen und zieht die welken Stängel und Blätter kräftig zurück, um zu zeigen, dass die halb im Boden freiliegenden Knollen von schwarzen Flecken vernarbt sind. Dann pflückt er ein grünes Blatt einer der gentechnisch veränderten Pflanzen, die mit einem fäuleresistenten Gen aus einer in Südamerika wachsenden Wildkartoffel modifiziert wurden. Die Abwehrkräfte der Kartoffelpflanze haben die Sporen abgewehrt und sie unschädlich gemacht. Die Anlage, sagt Mullins schlicht, habe sich gut entwickelt.

Es ist das zweite Jahr der dreijährigen Feldversuche. Aber auch wenn die Ergebnisse aus dem nächsten Jahr ähnlich ermutigend sind, hat Teagasc nicht die Absicht, Landwirten Zugang zu der Pflanze zu verschaffen, die von Forschern der Universität Wageningen in den Niederlanden entwickelt wurde. Solche gentechnisch veränderten Pflanzen bleiben in Europa umstritten, und nur zwei sind für den Anbau in der EU zugelassen. Obwohl Mullins und seine Kollegen begierig sind zu erfahren, wie sich die Pflanzenfäule auf die gv-Kartoffeln auswirkt und ob die Pflanzen Bodenmikroben beeinträchtigen werden, ist der Vertrieb der modifizierten Pflanze in Irland zumindest vorerst ein Nichtstarter.

Dennoch bieten die Felder von Carlow ein verlockendes Bild davon, wie gentechnisch veränderte Pflanzen helfen könnten, die Welternährung zu schützen. Fäulnisresistente Kartoffeln wären eines der ersten großen Nahrungsmittel, die gentechnisch verändert wurden, um Pflanzenkrankheiten abzuwehren, die jährlich etwa 15 Prozent der weltweiten landwirtschaftlichen Ernte vernichten. Trotz des starken Einsatzes von Fungiziden ruinieren Krautfäule und andere Pflanzenkrankheiten schätzungsweise ein Fünftel der Weltkartoffeln, ein Nahrungsmittel, das zunehmend in China und Indien angebaut wird. Stängelrost, eine Pilzkrankheit des Weizens, hat sich in weiten Teilen Afrikas und auf der Arabischen Halbinsel ausgebreitet und bedroht nun die riesigen Anbaugebiete Zentral- und Südasiens, in denen rund 20 Prozent des weltweiten Weizens produziert werden. Bananen, die in Ländern wie Uganda eine Hauptnahrungsquelle darstellen, werden oft durch Welkekrankheiten zerstört. In all diesen Fällen hat die Gentechnik das Potenzial, Sorten zu schaffen, die dem Ansturm weitaus besser standhalten.

GV-Kartoffeln könnten auch zu einer neuen Generation biotechnologischer Lebensmittel führen, die direkt an Verbraucher verkauft werden. Obwohl transgener Mais, Sojabohnen und Baumwolle – die meistens gegen Insekten und Herbizide resistent sind – seit Ende der 1990er Jahre in den Vereinigten Staaten und in einigen wenigen anderen großen Agrarländern, darunter Brasilien und Kanada, weit verbreitet sind, werden Mais und Sojabohnen angebaut hauptsächlich in Tierfutter, Biokraftstoffe und Speiseöle. Es werden keine gentechnisch veränderten Reis-, Weizen- oder Kartoffelsorten angebaut, da der Widerstand gegen solche Lebensmittel Investitionen in deren Entwicklung abgeschreckt hat und weil Saatgutunternehmen keine Möglichkeit gefunden haben, mit diesen Pflanzen so viel Geld zu verdienen, wie sie es mit gentechnisch veränderten Pflanzen machen Mais und Sojabohnen.

Dürre, schädliche Stürme und sehr heiße Tage belasten bereits jetzt die Ernteerträge.

Da die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich mehr als neun Milliarden Menschen erreichen wird, könnte die Welt jedoch bald nach solchen Sorten hungern. Obwohl sich die landwirtschaftliche Produktivität in den letzten 50 Jahren dramatisch verbessert hat, befürchten Ökonomen, dass diese Verbesserungen zu einer Zeit nachlassen, in der die Nahrungsmittelnachfrage, getrieben durch die größere Zahl von Menschen und den wachsenden Appetit der wohlhabenderen Bevölkerung, voraussichtlich zwischen 70 und 100 Prozent bis Mitte des Jahrhunderts. Insbesondere der rasante Anstieg der Reis- und Weizenerträge, der jahrzehntelang zur Ernährung der Welt beigetragen hat, zeigt Anzeichen einer Verlangsamung, und die Getreideproduktion muss sich bis 2050 mehr als verdoppeln, um Schritt zu halten. Wenn der Trend anhält, könnte die Produktion nicht ausreichen, um die Nachfrage zu decken, es sei denn, wir verbrauchen deutlich mehr Land, Dünger und Wasser.

Der Klimawandel wird das Problem wahrscheinlich noch viel verschlimmern, da er höhere Temperaturen und in vielen Regionen feuchtere Bedingungen mit sich bringt, die den Befall von Krankheiten und Insekten in neue Gebiete verbreiten. Dürre, schädliche Stürme und sehr heiße Tage belasten bereits jetzt die Ernteerträge, und es wird erwartet, dass die Häufigkeit dieser Ereignisse mit der Erwärmung des Klimas stark zunehmen wird. Für Landwirte lassen sich die Auswirkungen des Klimawandels einfach formulieren: Das Wetter ist viel unberechenbarer geworden, Extremwetter sind viel häufiger geworden.

Das zentrale Hochland Mexikos zum Beispiel erlebte 2011 und 2012 seine trockensten und feuchtesten Jahre, sagt Matthew Reynolds, Weizenphysiologe am International Maize and Wheat Improvement Center in El Batán. Eine solche Variation sei besorgniserregend und sehr schlecht für die Landwirtschaft, sagt er. Es ist extrem schwierig, dafür zu züchten. Wenn Sie ein relativ stabiles Klima haben, können Sie Pflanzen mit genetischen Eigenschaften züchten, die einem bestimmten Temperatur- und Niederschlagsprofil folgen. Sobald Sie in einen Zustand des Flusses geraten, ist es viel schwieriger zu wissen, welche Eigenschaften anvisiert werden sollen.

Ein Vorteil des Einsatzes von Gentechnik zur Anpassung von Pflanzen an diese plötzlichen Veränderungen besteht darin, dass schnell neue Sorten geschaffen werden können. Die Herstellung einer Kartoffelsorte durch konventionelle Züchtung beispielsweise dauert mindestens 15 Jahre; Die Herstellung eines gentechnisch veränderten Produkts dauert weniger als sechs Monate. Die genetische Veränderung ermöglicht es Pflanzenzüchtern auch, präzisere Veränderungen vorzunehmen und aus einer viel größeren Vielfalt von Genen zu schöpfen, die von wilden Verwandten der Pflanzen oder von verschiedenen Arten von Organismen stammen. Pflanzenwissenschaftler achten darauf, dass kein magisches Gen in eine Kulturpflanze eingefügt werden kann, um sie dürretolerant zu machen oder ihren Ertrag zu steigern – selbst die Resistenz gegen eine Krankheit erfordert normalerweise mehrere genetische Veränderungen. Aber viele von ihnen sagen, Gentechnik sei eine vielseitige und unverzichtbare Technik.

Es ist überwältigend logisch, sagt Jonathan Jones, Wissenschaftler am Sainsbury Laboratory in Großbritannien und einer der weltweit führenden Experten für Pflanzenkrankheiten. Der bevorstehende Druck auf die landwirtschaftliche Produktion, sagt er, sei real und werde Millionen von Menschen in armen Ländern treffen. Er fügt hinzu, dass es pervers wäre, genetische Veränderungen als Werkzeug abzulehnen.

Diese Ansicht wird von den Verantwortlichen für die Entwicklung der Pflanzensorten von morgen geteilt. Auf dem derzeitigen Niveau der landwirtschaftlichen Produktion gibt es genug Nahrung, um die Welt zu ernähren, sagt Eduardo Blumwald, Pflanzenwissenschaftler an der University of California in Davis. Aber wenn die Bevölkerung neun Milliarden erreicht? er sagt. Auf keinen Fall.

Fehlgeschlagene Versprechen

Das Versprechen, dass gentechnisch veränderte Pflanzen zur Ernährung der Welt beitragen könnten, ist mindestens so alt wie die Kommerzialisierung des ersten transgenen Saatguts Mitte der 1990er Jahre. Die Konzerne, die dazu beigetragen haben, gentechnisch veränderte Pflanzen in ein Multi-Milliarden-Dollar-Geschäft zu verwandeln, darunter die großen Chemiekonzerne Monsanto, Bayer und DuPont, förderten die Technologie als Teil einer biowissenschaftlichen Revolution, die die Nahrungsmittelproduktion stark steigern würde. Bisher hat es sich aus mehreren Gründen als etwas leeres Versprechen herausgestellt.

Natürlich sind biotechnologisch hergestellte Pflanzen in einigen Ländern ein großer kommerzieller Erfolg. Die Idee ist einfach, aber überzeugend: Indem Sie ein fremdes Gen, das beispielsweise aus Bakterien stammt, in Mais einbringen, können Sie der Pflanze eine Eigenschaft verleihen, die sie sonst nicht hätte. Umfragen gehen davon aus, dass weltweit mehr als 170 Millionen Hektar solcher transgenen Pflanzen angebaut werden. In den Vereinigten Staaten wurden die meisten angebauten Mais-, Sojabohnen- und Baumwollpflanzen mit einem Gen des Bodenbakteriums manipuliert Bacillus thuringensis – Bt – zur Abwehr von Insekten oder mit einem anderen bakteriellen Gen, um Herbiziden zu widerstehen. 81 Prozent der weltweit angebauten Sojabohnen und 35 Prozent des Maises sind Biotech-Sorten. In Indien wurde Bt-Baumwolle vor mehr als einem Jahrzehnt zugelassen und macht heute 96 Prozent der im Land angebauten Baumwolle aus.

Es ist jedoch nicht klar, ob dieser Boom bei transgenen Pflanzen zu einer erhöhten Nahrungsmittelproduktion oder zu niedrigeren Preisen für die Verbraucher geführt hat. Nehmen Sie zum Beispiel Mais. In den Vereinigten Staaten sind 76 Prozent der Pflanzen gentechnisch verändert, um Insekten zu widerstehen, und 85 Prozent vertragen das Besprühen mit einem Unkrautvernichtungsmittel. Dieser Mais war wohl ein Segen für die Landwirte, da er den Einsatz von Pestiziden reduziert und die Erträge steigert. Aber nur wenig von der US-Maisproduktion wird direkt für die menschliche Ernährung verwendet; etwa 4 Prozent gehen in Maissirup mit hohem Fructosegehalt und 1,8 Prozent in Getreide und andere Lebensmittel. Gentechnisch veränderter Mais und Sojabohnen sind so profitabel, dass US-Landwirte damit begonnen haben, Weizen durch sie zu ersetzen: 2012 wurden rund 56 Millionen Hektar Weizen angebaut, gegenüber 62 Millionen im Jahr 2000. Als das Angebot zurückging, stieg der Preis für einen Scheffel Weizen auf fast 8 $ im Jahr 2012, von 2,50 $ im Jahr 2000.

Bisher umfasst die kurze Liste der transgenen Pflanzen, die direkt für Lebensmittel verwendet werden, virenresistente Papaya, die in Hawaii angebaut wird, Bt-Süßmais, der kürzlich von Monsanto in den USA vermarktet wurde, und einige Kürbissorten, die gegen Pflanzenviren resistent sind. Diese Liste könnte jedoch noch wachsen. Die indonesische Landwirtschaftsbehörde erwartet, bald eine fäuleresistente Kartoffel zuzulassen, und JR Simplot, ein Agrarlieferant mit Sitz in Boise, Idaho, hofft, seine eigene Version bis 2017 kommerzialisieren zu können. kaufte 2009 ein Weizensaatgutunternehmen und versucht es jetzt erneut. Und Cornell-Forscher arbeiten mit Mitarbeitern in Indien, Bangladesch und den Philippinen zusammen, in denen Auberginen ein Grundnahrungsmittel sind, um Landwirten eine insektenresistente Form des Gemüses zur Verfügung zu stellen.

Nur eine Handvoll großer Unternehmen können sich das Risiko und die Kosten der Kommerzialisierung von GVO leisten.

Diese biotechnologisch hergestellten Versionen einiger der wichtigsten Nahrungspflanzen der Welt könnten dazu beitragen, die ersten Hoffnungen auf gentechnisch veränderte Organismen (GVO) zu erfüllen. Aber sie werden mit ziemlicher Sicherheit auch die Debatte um die Technologie anheizen. Gegner befürchten, dass durch das Einbringen fremder Gene in Pflanzen Lebensmittel gefährlich oder allergen werden könnten, obwohl mehr als 15 Jahre Erfahrung mit transgenen Pflanzen keine Gesundheitsgefahren ergeben und auch keine Reihe wissenschaftlicher Studien vorliegen. Glaubwürdiger ist, dass Kritiker behaupten, dass die Technologie ein Trick von riesigen Konzernen, insbesondere Monsanto, ist, um mehr Herbizide zu verkaufen, die landwirtschaftliche Lieferkette zu dominieren und Landwirte von hochpreisigem transgenem Saatgut abhängig zu machen. Die überzeugendste Kritik könnte jedoch einfach sein, dass die bestehenden transgenen Pflanzen angesichts des Klimawandels und einer wachsenden Bevölkerung wenig dazu beigetragen haben, die Zukunft der Welternährung zu garantieren.

Die erste Generation insektenresistenter und herbizidtoleranter Pflanzen bietet wenige neue Eigenschaften wie Trockenheitstoleranz und Krankheitsresistenz, die den Pflanzen helfen könnten, sich an Wetteränderungen und Krankheitsmuster anzupassen, bestätigt Margaret Smith, Professorin für Pflanzenzüchtung und Genetik an der Cornell-Universität. Nichtsdestotrotz gibt es keinen triftigen Grund, die Technologie abzulehnen, da Pflanzenwissenschaftler um die Steigerung der Pflanzenproduktivität kämpfen. Wissenschaftler stehen vor einer gewaltigen Züchtungsherausforderung, sagt Smith. Wir brauchen eine zweite Generation transgener Pflanzen. Es wäre ein Fehler, dieses Tool auszuschließen, da die ersten Produkte die großen Probleme nicht angingen.

Es wird nicht einfach sein, Pflanzen zu entwickeln, die dem Klimawandel besser standhalten. Es wird Pflanzenwissenschaftler erfordern, komplexe Merkmale zu entwickeln, die mehrere Gene beinhalten. Eine dauerhafte Krankheitsresistenz erfordert typischerweise eine Reihe genetischer Veränderungen und detaillierte Kenntnisse darüber, wie Krankheitserreger die Pflanze angreifen. Eigenschaften wie Trockenheits- und Hitzetoleranz sind noch schwieriger, da sie grundlegende Veränderungen in der Physiologie der Pflanze erfordern können.

Ist die Gentechnik der Aufgabe gewachsen? Niemand weiß. Aber die jüngsten genomischen Durchbrüche sind ermutigend. Wissenschaftler haben die Genome von Nutzpflanzen wie Reis, Kartoffeln, Bananen und Weizen sequenziert. Gleichzeitig ermöglichen Fortschritte in der Molekularbiologie, dass Gene mit viel größerer Präzision deletiert, modifiziert und eingefügt werden können. Insbesondere neue Genom-Engineering-Tools, bekannt als Talens und Crispr, ermöglichen es Genetikern, Pflanzen-DNA zu bearbeiten und Chromosomen genau dort zu ändern, wo sie wollen.

Genaue Bearbeitungen

Die Werkstatt neben den Gewächshausreihen am Rande des Cornell-Campus in Ithaca, New York, riecht muffig und feucht von den Kartoffelkisten. Es ist weniger als eine Meile von den Molekularbiologielaboren der Universität entfernt, aber was Sie sehen, sind hölzerne Förderbänder, Drahtsiebe und Wasserschläuche. Walter De Jong sortiert und sortiert die geernteten Kartoffeln im Rahmen eines mehrjährigen Bemühens, eine noch bessere Sorte für die Erzeuger der Region zu entwickeln. Kisten sind gefüllt mit Kartoffeln – manche klein und rund, andere groß und unförmig. Auf die Frage, welche Eigenschaften Verbrauchern wichtig sind, lächelt er verschlagen und sagt: Schaut, sieht, sieht aus.

Die Frage, wie er die Bemühungen um die Entwicklung transgener Kartoffeln sieht, ist nicht so einfach zu beantworten. De Jong ist nicht gegen Gentechnik. Als Kartoffelzüchter kennt er sich mit konventionellen Methoden zur Einführung neuer Merkmale gut aus, hat aber auch einen Doktortitel in Pflanzenpathologie und hat umfangreiche molekularbiologische Forschungen betrieben. er kennt die Möglichkeiten, die fortgeschrittene Genetik eröffnet. Im Nordosten der Vereinigten Staaten wird eine Kartoffelsorte für einen Radius von etwa 500 Meilen optimiert, wobei die Länge der Vegetationsperiode und die Art des Wetters in der Region berücksichtigt werden. Der Klimawandel bedeutet, dass sich diese Anbaugebiete verschieben, wodurch die Pflanzenzüchtung zu einem Puzzle wird, bei dem sich die Teile bewegen. Die Geschwindigkeit, die die genetische Veränderung bietet, würde helfen. Aber, sagt De Jong abweisend, ich erwarte nicht, [transgene] Technologie einzusetzen. Ich kann es mir nicht leisten.

Der Anbau von gv-Kartoffeln bei Teagasc beginnt mit einem gv-Pflänzchen, das in einer Gewebekultur gezüchtet wird (1); es wird in ein Gewächshaus (2) und schließlich in Feldversuche (3) überführt. Die geernteten Knollen erscheinen gesund und fäulefrei (4).

Eine merkwürdige Situation, sagt er. Wissenschaftler an öffentlichen und akademischen Forschungseinrichtungen haben einen Großteil der Arbeit geleistet, um Gene zu identifizieren und zu verstehen, wie sie Eigenschaften in Pflanzen beeinflussen können. Doch die langwierigen Test- und Regulierungsverfahren für gentechnisch veränderte Pflanzen und die Gefahr, dass die Verbraucher sie ablehnen, führten dazu, dass sich nur eine Handvoll Großunternehmen den Aufwand und das Risiko ihrer Entwicklung leisten könnten.

Aber De Jong wird plötzlich lebhaft, als er nach den neuesten Genom-Engineering-Tools gefragt wird. Darauf habe ich meine ganze Karriere gewartet, sagt er und hebt die Hände. Seit ich Kartoffelwissenschaftler bin, wollte ich zwei Dinge: ein sequenziertes Kartoffelgenom und die Möglichkeit, das Genom nach Belieben zu verändern. Auf dem Campus betreibt De Jong auch ein Labor für Molekularbiologie, in dem er die DNA-Sequenz identifiziert hat, die für das rote Pigment in Kartoffelknollen verantwortlich ist. Bald könnte es möglich sein, genau diese Sequenz in einer Kartoffelzelle zu verändern, die dann zu einer Pflanze gezüchtet werden kann: Wenn ich eine weiße Kartoffel hätte, die ich rot werden wollte, könnte ich einfach ein oder zwei Nukleotide bearbeiten und die gewünschte Farbe erhalten . Pflanzenzüchtung ist nicht die Kunst, Gene herumzumischen, erklärt De Jong. Grundsätzlich haben alle Kartoffeln die gleichen Gene; was sie haben, sind verschiedene Versionen der Gene – Allele. Und Allele unterscheiden sich in wenigen Nukleotiden voneinander. Wenn ich die wenigen Nukleotide bearbeiten kann, warum dann nach [einem Merkmal] züchten? Es ist seit langem der heilige Gral in der Pflanzengenetik.

Ein Problem konventioneller Gentechnik-Techniken besteht darin, dass sie Gene unvorhersehbar hinzufügen. Das gewünschte Gen wird in einer Petrischale in die Zielzelle eingefügt, entweder mit einem Pflanzenbakterium oder einer Genkanone, die physikalisch ein winziges Partikel abschießt, das mit der DNA bedeckt ist. Sobald sich die Moleküle in der Zelle befinden, wird das neue Gen zufällig in das Chromosom eingefügt. (Die transformierte Zelle wird in einer Gewebekultur gezüchtet, um ein Pflänzchen und schließlich eine Pflanze zu werden.) Es ist unmöglich zu kontrollieren, wo genau das Gen hinzugefügt wird; manchmal endet es an einer Stelle, an der es effektiv ausgedrückt werden kann, und manchmal nicht. Was wäre, wenn Sie gezielt Stellen auf dem Chromosom der Pflanze anvisieren und neue Gene genau dort hinzufügen könnten, wo Sie sie haben möchten, bestehende ausknocken oder Gene modifizieren könnten, indem Sie einige spezifische Nukleotide austauschen? Die neuen Tools ermöglichen es Wissenschaftlern, genau das zu tun.

Talens, eines der vielversprechendsten dieser Genom-Engineering-Tools, wurde von einem Mechanismus inspiriert, der von einem Bakterium verwendet wird, das Pflanzen infiziert. Pflanzenpathologen identifizierten die Proteine, die es dem Bakterium ermöglichen, die Zielpflanzen-DNA zu lokalisieren, und fanden Wege, diese Proteine ​​so zu konstruieren, dass sie jede gewünschte Sequenz erkennen. Dann fusionierten sie diese Proteine ​​mit Nukleasen, die die DNA zerschneiden, und schufen so ein präzises Bearbeitungswerkzeug. Ein Pflanzenbakterium oder eine Genkanone wird verwendet, um das Werkzeug in die Pflanzenzelle zu bringen; Sobald sie drin sind, richten sich die Proteine ​​​​auf eine bestimmte DNA-Sequenz ein. Die Proteine ​​bringen die Nukleasen an eine exakte Stelle auf dem Chromosom, wo sie die DNA der Pflanze spalten. Die Reparatur des gebrochenen Chromosoms ermöglicht das Einfügen neuer Gene oder die Durchführung anderer Arten von Modifikationen. Crispr, eine noch neuere Version der Technologie, verwendet RNA, um die Zielgene einzugrenzen. Sowohl mit Talens als auch mit Crispr können Molekularbiologen sogar einige wenige Nukleotide modifizieren oder ein Gen genau an der gewünschten Stelle auf dem Chromosom einfügen und löschen, wodurch die Änderung viel vorhersehbarer und effektiver wird.

Eine Implikation der neuen Werkzeuge ist, dass Pflanzen genetisch verändert werden können, ohne dass fremde Gene hinzugefügt werden. Obwohl es noch zu früh ist, um zu sagen, ob dies die öffentliche Debatte über GVO ändern wird, weisen Regulierungsbehörden – zumindest in den Vereinigten Staaten – darauf hin, dass Pflanzen, die ohne fremde Gene modifiziert wurden, nicht so gründlich geprüft werden müssen wie transgene Pflanzen. Dies könnte den Zeit- und Kostenaufwand für die Kommerzialisierung neuer Sorten gentechnisch veränderter Lebensmittel erheblich reduzieren. Und es ist möglich, dass Kritiker der Biotechnologie eine ähnliche Unterscheidung treffen und gentechnisch veränderte Pflanzen tolerieren, solange sie nicht transgen sind.

Dan Voytas, Direktor des Genome Engineering Center an der University of Minnesota und einer der Erfinder von Talens, sagt, eine seiner Hauptmotivationen sei die Notwendigkeit, bis Mitte des Jahrhunderts weitere zwei Milliarden Menschen zu ernähren. In einer seiner ehrgeizigsten Bemühungen, die am International Rice Research Institute in Los Baños auf den Philippinen angesiedelt ist, arbeitet er mit einem weltweiten Netzwerk von Forschern zusammen, um die Physiologie von Reis neu zu schreiben. Reis und Weizen haben wie andere Getreidearten das, was Botaniker C3-Photosynthese nennen, und nicht die komplexere C4-Version, die Mais und Zuckerrohr haben. Die C4-Version der Photosynthese nutzt Wasser und Kohlendioxid viel effizienter. Wenn das Projekt erfolgreich ist, könnten in Regionen, die durch den Klimawandel heißer und trockener werden, sowohl die Reis- als auch die Weizenerträge gesteigert werden.

Das Umschreiben der Kernfunktionen einer Anlage ist keine triviale Aufgabe. Voytas sagt jedoch, dass Talens ein wertvolles Werkzeug sein könnte – sowohl um die genetischen Pfade zu identifizieren, die möglicherweise optimiert werden, als auch um die vielen notwendigen genetischen Veränderungen vorzunehmen.

Der Druck, die wachsende Bevölkerung zu ernähren, während der Klimawandel mehr Land für die Landwirtschaft marginalisiert, ist die Last, die Pflanzenbiologen tragen, sagt Voytas. Aber er ist optimistisch. Er weist darauf hin, dass die Produktivität der Pflanzen in den letzten 50 Jahren immer wieder zugenommen hat, was zuerst auf die Verwendung von Hybridsaatgut zurückzuführen ist, dann auf die neuen Pflanzensorten, die während der sogenannten Grünen Revolution eingeführt wurden, und sogar auf die ersten gv-Pflanzen . Die Einführung der neuen Genom-Engineering-Tools sei ein weiterer Wendepunkt.

Wenn er Recht hat, ist es vielleicht gerade noch rechtzeitig.

Hitzewelle

Für Agronomen, Pflanzenzüchter und Landwirte dreht sich alles um den Ertrag – die Menge, die eine Ernte auf einem Hektar produziert. Die bemerkenswerten Steigerungen der Ernteerträge ab Mitte des 20 . Am bekanntesten ist vielleicht, dass die Grüne Revolution, angeführt von dem in Iowa geborenen Pflanzenpathologen und Genetiker Norman Borlaug, die Erträge von Weizen, Mais und Reis in vielen Teilen der Welt erheblich gesteigert hat. Dies geschah zum Teil durch die Einführung ertragreicherer Pflanzensorten, beginnend in Mexiko und dann in Pakistan, Indien und anderen Ländern. Aber zumindest im letzten Jahrzehnt scheinen sich die Ertragssteigerungen bei Weizen und Reis verlangsamt zu haben. Die Weizenerträge zum Beispiel wachsen jährlich um etwa 1 Prozent; sie müssen jährlich um fast 2 Prozent steigen, um langfristig mit der Nahrungsmittelnachfrage Schritt halten zu können. Agrarexperten warnen davor, dass die Erträge auch bei anderen Nutzpflanzen steigen müssen, um eine schnell wachsende Bevölkerung zu ernähren – aber steigende Temperaturen und andere Auswirkungen des globalen Klimawandels erschweren dies.

David Lobell, Professor für Umwelt-Erdsystemwissenschaften an der Stanford University, hat eine ruhige Haltung, die seine düstere Botschaft darüber widerlegt, wie sich die globale Erwärmung bereits auf die Kulturpflanzen auswirkt. Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft wurden breit diskutiert, aber vor kurzem haben Lobell und seine Mitarbeiter die Prognosen durch das Durchsuchen historischer Aufzeichnungen über Wetter und landwirtschaftliche Produktion geklärt. Sie fanden heraus, dass der Klimawandel von 1980 bis 2008 die Erträge von Weizen und Mais drückte; Die Erträge stiegen während dieser Zeit noch, aber die Gesamtproduktion war 2 bis 3 Prozent geringer als ohne die globale Erwärmung. Dies gilt für die meisten Regionen, in denen Mais und Weizen angebaut werden.

Das Ergebnis ist verblüffend, da es darauf hindeutet, dass die globale Erwärmung bereits erhebliche Auswirkungen auf die Nahrungsmittelproduktion hatte und einen noch größeren Unterschied machen wird, wenn sich der Klimawandel verschärft. Alles, was dazu führt, dass der Ertrag [Wachstum] abflacht, ist besorgniserregend, sagt Lobell. Und während die Gesamterträge von Weizen und Mais immer noch steigen, wird der Klimawandel zu einem Problem, lange bevor negative Ertragstrends auftreten.

Noch beunruhigender ist, dass Lobell und sein Mitarbeiter Wolfram Schlenker, Ökonom an der Columbia University, Beweise dafür gefunden haben, dass bei mehreren wichtigen Nutzpflanzen der negative Effekt der globalen Erwärmung stärker an die Anzahl extrem heißer Tage als an den Anstieg gebunden ist bei durchschnittlichen Temperaturen über eine Saison. Wenn das stimmt, könnten frühere Forschungen die Auswirkungen des Klimawandels stark unterschätzt haben, indem sie nur die Durchschnittstemperaturen betrachtet haben.

Schlenkers Berechnungen zeigen einen stetigen Anstieg der Mais- und Sojabohnenerträge, wenn die Temperatur von 10 °C in die 20er Jahre ansteigt – aber bei etwa 29 °C für Mais und 30 °C für Sojabohnen werden die Ernten hart getroffen und die Erträge sinken dramatisch. In späteren Arbeiten zeigte Lobell, dass heiße Tage dem Weizen in Nordindien weitaus mehr Schaden zufügen als bisher angenommen.

Die landwirtschaftlichen Erträge müssen sich verbessern, wenn wir eine schnell wachsende Bevölkerung ernähren wollen.

Ein überraschendes und beunruhigendes Detail der Forschung, sagt Schlenker, ist, dass Pflanzen und Landwirte sich anscheinend nicht an die zunehmende Häufigkeit von heißen Tagen angepasst haben. Was mich am meisten überrascht hat und uns für die Zukunft informieren sollte, ist, dass es in der landwirtschaftlichen Züchtung enorme Fortschritte gegeben hat – die durchschnittlichen Erträge haben sich seit den 1950er Jahren mehr als verdreifacht – aber wenn man sich die Empfindlichkeit gegenüber extremer Hitze ansieht, scheint dies so zu sein genauso schlimm sein wie in den 1950er Jahren. Wir brauchen Pflanzen, die besser mit heißen Klimata umgehen können. Während der Hitzewelle, die 2012 einen Großteil der Vereinigten Staaten traf, seien die Maiserträge um 20 Prozent zurückgegangen, und 2012 sei kein ungewöhnliches Jahr im Vergleich zu dem, was die Klimamodelle vorhersagen, wird bald eine neue Normalität sein.

Es ist möglich, dass Anlagen einfach fest verdrahtet sind, um bei Temperaturen über 30 °C herunterzufahren. Schlenker sagt, dass er nicht davon überzeugt ist, dass Pflanzen so konstruiert werden können, dass sie sich an die zunehmende Häufigkeit von heißen Tagen anpassen, obwohl er hofft, dass er sich irrt. Ebenso möchte Lobell mit seiner Arbeit besser definieren, welche Aspekte des Klimawandels Pflanzen schädigen, und so dazu beitragen, die erforderlichen genetischen Veränderungen gezielt zu beeinflussen. Aber wie Schlenker ist er sich nicht sicher, ob die Genetik eine große Antwort darauf geben kann.

Im kalifornischen Central Valley, einem der produktivsten landwirtschaftlichen Gebiete der Welt, bestätigt Blumwald von der UC Davis, dass Wissenschaftler nie für Stress wie Dürre und Hitze gezüchtet haben. Aber er will das ändern. Durch das Einbringen einer Kombination von Genen für die Toleranz gegenüber Hitze, Trockenheit und hohem Bodensalzgehalt in Reis und andere Pflanzen schafft Blumwald Pflanzen, die bei extremen Wetterbedingungen, insbesondere in wichtigen Phasen ihres Wachstumszyklus, zumindest einige Vorteile haben.

Die Herausforderung besteht darin, unter guten Wachstumsbedingungen Ertragseinbußen zu vermeiden. So hat Blumwald ein Protein identifiziert, das die eingefügten Gene nur unter widrigen Bedingungen aktiviert. Es gibt kein Heilmittel gegen Dürre. Wenn kein Wasser vorhanden ist, stirbt die Pflanze. Ich bin kein Zauberer, sagt er. Wir wollen nur die Stressreaktion so lange wie möglich hinauszögern, um die Erträge zu halten, bis das Wasser kommt.

Tägliches Brot

Ein Feld nördlich von London auf dem Gelände von Rothamsted Research, das sich selbst als die älteste landwirtschaftliche Forschungsstation der Welt bezeichnet (gegründet 1843), ist einer der Brennpunkte des anhaltenden Kampfes Europas um gentechnisch veränderte Lebensmittel. Die Kontroverse hier dreht sich um ein 80 mal 80 Meter großes Weizenfeld, von dem einige genetisch verändert wurden, um ein Hormon zu produzieren, das Blattläuse, einen weit verbreiteten Insektenschädling, abwehrt. Im Jahr 2012 kletterte ein Demonstrant über einen niedrigen Zaun und streute konventionelles Weizensamen zwischen den gentechnisch veränderten Pflanzen, um den Versuch zu sabotieren. Die Wissenschaftler von Rothamsted ließen die Saat aufsaugen, stellten mehrere zusätzliche Sicherheitsleute ein und bauten einen zweiten Zaun, dieser drei Meter hoch und mit einem gebogenen Überhang versehen, um zu verhindern, dass er verklemmt wird. Später marschierten einige Hundert Demonstranten Arm in Arm an den Rand des eingezäunten Feldes, bevor sie von der Polizei angehalten wurden.

Die Aufregung in Rothamsted ist nur ein Hinweis darauf, dass es bei der nächsten großen GVO-Kontroverse um transgenen Weizen gehen könnte. Immerhin ist Weizen die am häufigsten angebaute Kulturpflanze der Welt und macht 21 Prozent der weltweit konsumierten Kalorien aus. Sich in ein Getreide einzumischen, das für unzählige Millionen weltweit das tägliche Brot ist, wäre für viele Gegner gentechnisch veränderter Lebensmittel besonders anstößig. Darüber hinaus wird Weizen auf den Weltmärkten verkauft, sodass die Zulassung von GV-Weizen in einem führenden Exportland wahrscheinlich überall Auswirkungen auf die Lebensmittelmärkte haben würde.

Weizen ist auch ein Sinnbild für die Kämpfe, mit denen die Landwirtschaft konfrontiert ist, wenn sie versucht, mit einer wachsenden Bevölkerung und einem sich ändernden Klima Schritt zu halten. Nicht nur die Ertragssteigerungen verlangsamen sich, Weizen reagiert besonders empfindlich auf steigende Temperaturen und wird in vielen Regionen wie Australien angebaut, die anfällig für schwere Dürren sind. Darüber hinaus ist Weizen anfällig für eine der weltweit am meisten gefürchteten Pflanzenkrankheiten: den Stängelrost, der die fruchtbaren Gebiete Pakistans und Nordindiens, die sogenannte Indo-Gangetic-Ebene, bedroht. Konventionelle Züchtungstechniken haben bei diesen Problemen bemerkenswerte Fortschritte gemacht und Sorten hervorgebracht, die zunehmend trockenheitstolerant und krankheitsresistent sind. Doch die Biotechnologie bietet Vorteile, die nicht außer Acht gelassen werden sollten.

Der Klimawandel ändert [die Herausforderung für Pflanzenzüchter] nicht, aber er macht ihn viel dringlicher, sagt Walter Falcon, stellvertretender Direktor des Center on Food Security and the Environment in Stanford. Falcon war einer der Fußsoldaten der Grünen Revolution und arbeitete in den Weizenanbaugebieten Pakistans und im mexikanischen Yaqui-Tal. Die bemerkenswerten Produktivitätssteigerungen zwischen 1970 und 1995 hätten sich jedoch weitgehend ausgewirkt, sagt er und macht sich Sorgen, ob die technologieintensive Landwirtschaft in diesen Regionen aufrechterhalten werden kann. Er sagt, dass das Yaqui Valley nach wie vor hochproduktiv ist – die jüngsten Erträge von sieben Tonnen Weizen pro Hektar sind umwerfend –, aber der starke Einsatz von Düngemitteln und Wasser stößt an die Grenzen der derzeitigen Praktiken. Falcon sagt, er sei besorgt darüber, wie sich der Klimawandel auf die Landwirtschaft in der Indo-Gangetic-Ebene, der Heimat von fast einer Milliarde Menschen, auswirken wird.

Auf die Frage, ob die transgene Technologie eines dieser Probleme lösen wird, antwortet er, ich halte nicht den Atem an, und nenne sowohl wissenschaftliche Gründe als auch den Widerstand gegen GV-Pflanzen. Er erwartet jedoch Fortschritte in der Gentechnologie in den nächsten zehn Jahren, um Weizensorten zu schaffen, die besser gegen Schädlinge, höhere Temperaturen und Trockenheit gerüstet sind.

Es ist durchaus möglich, dass der erste und dramatischste Fortschritt bei der Anpassung der Kulturpflanzen an die sich ändernden Krankheitsmuster erfolgt. Und wie Ewen Mullins von Teagasc es ausdrückt, wenn Sie Pflanzenkrankheiten studieren möchten, kommen Sie nach Irland.

Hundert Kilometer von den idyllischen Feldern in Carlow entfernt entwickelt Fiona Doohan, Pflanzenpathologin am University College Dublin, Weizensorten, die lokalen Krankheiten standhalten, und versucht zu verstehen, wie sich Pflanzenpathogene mit dem Klimawandel entwickeln könnten. In der landwirtschaftlichen Versuchsstation der Schule verwendet sie Anzuchtkammern, in denen die Kohlendioxidkonzentration angepasst werden kann, um die im Jahr 2050 erwarteten höheren Werte nachzuahmen. Die Experimente haben eine böse Überraschung gebracht. Wenn Weizen und die üblicherweise befallenen Krankheitserreger in die Kammer mit dem erhöhten Kohlendioxidgehalt gebracht werden, bleibt die Pflanze resistent gegen den Pilz. Aber wenn beide getrennt über mehrere Generationen unter 2050-Bedingungen angebaut und dann zusammen gestellt werden, stürzen die Pflanzen ab, sagt Doohan. Dies deutet ominös darauf hin, dass sich Pflanzenpathogene möglicherweise viel besser und schneller an den erhöhten Kohlendioxidgehalt anpassen können als Weizen.

Neben dem Gebäude befindet sich eine Apfelplantage mit Vertretern von Bäumen, die in ganz Irland angebaut werden, darunter seit Jahrhunderten gepflanzte Erbstücksorten. Doohan sieht sie liebevoll an, als sie vorbeigeht, der Boden mit heruntergefallenen Äpfeln bedeckt. Am anderen Ende des Obstgartens befindet sich eine Reihe von Gewächshäusern, darunter ein kleines, in dem gentechnisch veränderte Pflanzen getestet werden. Darin befindet sich ein besonders vielversprechender transgener Weizen, der sich als resistent gegen die in Irland verbreiteten Schorfkrankheiten erwiesen hat. Das neue Gen steigert auch die Getreideproduktion der Pflanze, sagt Doohan, die mit ihren Kollegen die Sorte kreiert hat. Von den Ergebnissen ist sie sichtlich begeistert. Aber, fügt sie schnell hinzu, es gebe keine Pläne, den GV-Weizen auf dem Feld in Irland oder anderswo in Europa zu testen. Zumindest vorerst ist die vielversprechende Weizensorte dazu verdammt, im Gewächshaus zu bleiben.

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