Illustration zweier Wissenschaftler vor einer Maispflanze die in eine DNA-Doppelhelix übergeht

Gentechnik? Ja, bitte!

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Auf den Punkt gebracht

  • Trockenheit. Die heutigen Nutzpflanzen sind dem Klimawandel nicht gewachsen. Monokulturen und der Verlust der Artenvielfalt rächen sich nun dramatisch.
  • Welternährung. Schon ab 2032 werden die globalen Ernte-Erträge deutlich sinken – dabei bräuchte die Menschheit gerade jetzt mehr Output.
  • Zeitdruck. Früher erfolgte Pflanzenoptimierung durch Auslese und Kreuzung. Heute geht das schneller: durch Gentechnik, die das Erbgut gezielt manipuliert.
  • Genschere. Dieser Eingriff in die Natur ist nicht ohne Risiken. Dennoch bieten vor allem die neusten Verfahren der Gentechnik auch viele Chancen.

Mit der Landwirtschaft hat der Mensch vor 12.000 Jahren ein System geschaffen, das heute einzigartig ist in seiner Zweischneidigkeit. Zum Beispiel der Mais: Ursprünglich eine kleine, maximal kniehoch wachsende, vielfach verzweigte Graspflanze namens Teosinte, die eine sehr kleine Ähre mit einer einzigen Reihe steinharter Samen trug, ist der heutige Mais ein Gigant von einem Grashalm: Er wächst leicht zwei Meter hoch, der ehemalige Stängel ist ein bambusdicker Stamm, der einen riesigen Kolben mit Hunderten von Samen ausbildet.

Der Mais kann in Reih und Glied wachsen und dennoch Stürmen standhalten, er liefert hohe Erträge, und seine Samen lassen sich einfach ernten, verarbeiten und lagern. Er ist heute eine der fünf Pflanzen, von denen sich die Menschheit ernährt. Doch der Mais hat einen großen Haken. Er ist in freier Wildbahn nicht mehr überlebensfähig. Mais ist eine an die Bedürfnisse des Menschen angepasste Pflanze.

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Von Erbsen zu E.coli

Der Mensch hat zuerst durch Auslese, später durch Kreuzung und schließlich durch Gentechnik genau die Merkmale herangezüchtet, die sich in der Natur niemals hätten durchsetzen können, weil sie für die Pflanze nachteilig sind: Der riesige Maiskolben zum Beispiel hat in der Natur keinen Sinn, weil mit ihm alle Samen zugleich auf den Boden fallen, wo sie verschimmeln, statt zu keimen. Nutzpflanzen sind im Grunde nichts anderes als „Defekt­mutanten“, wie der Pflanzengenetiker Thomas Miedaner in seiner Geschichte der Pflanzenzüchtung schreibt. Dies wird der Landwirtschaft nun zum Verhängnis: Mit der Wildheit verschwand nämlich auch die Widerstandskraft gegen krankmachende Erreger und vielfach die Fähigkeit, Trockenzeiten oder Überschwemmungen zu überstehen oder mit Versalzung umzugehen.

Lösung für die Nahrungskrise?

Die Landwirtschaft braucht diese Eigenschaften jetzt jedoch wie ein Hungernder einen Bissen Brot, denn die Defektmutanten lassen sich mit Pestiziden immer weniger gut vor Insektenfraß, Bakterien oder Pilzbefall schützen; vor allem aber haben sie den härteren Bedingungen in Zeiten der Erderwärmung wenig entgegenzusetzen. Die Erträge sinken. Der Krieg in der Ukraine macht es nun noch dringlicher, dass Lösungen für die Nahrungskrise gefunden werden. Irgendwie muss es gelingen, den Nutzpflanzen wieder etwas von der Wehrhaftigkeit ihrer Ahnen zurückzugeben. Gentechnik könnte die Lösung sein.

Der Status quo: Die Landwirtschaft ist verantwortlich für 30 bis 37 Prozent der globalen Treibhausgase; Monokulturen, Überdüngung, Pestizide und industrielle Bearbeitung haben in den letzten 40 Jahren ein Drittel des Ackerlandes der Erde vernichtet, noch vorhandene Böden werden zunehmend unfruchtbar. Schon ab 2032, so die Schätzung einer jüngeren Studie, werden die globalen Ernte-Erträge deshalb deutlich sinken – bei Mais um bis zu 24 Prozent bis zum Ende des Jahrhunderts.

Die Landwirtschaft lebt von der Substanz. Dabei bräuchte die Menschheit gerade jetzt mehr Output. Um Bodenverlust, Klima- und demografischen Wandel zu kompensieren, müssen die Äcker bis 2050 um 60 bis 100 Prozent mehr hergeben, so eine Studie des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung.

Für den Agrarökologen Urs Niggli ist die Zeit für radikales Umdenken gekommen. Das betrifft das ganze System der konventionellen Landwirtschaft. Mit der Genschere CRISPR/Cas stünden zumindest für diese präzise Methoden zur Verfügung, die die Pflanzenzüchtung radikal verändern. Er schreibt: „Mittels Genom-Editierung lösen Züchter und Züchterinnen punktgenau Veränderungen am Erbgut von Pflanzen aus, die auch durch eine natürliche Mutation entstehen könnten. Warum also sollten wir diese Technologie nicht nutzen?“

Erfolgsbeispiel aus China

Nigglis Erfolgsbeispiel ist der mehltau-resistente Weizen, der 2014 von chinesischen Wissenschaftlern erschaffen wurde. Mittels CRISPR/Cas gelang es ihnen, das Gen zu entfernen, das für jenes Protein verantwortlich ist, an das der Pilz andockt. Da Weizen nach einer rund 7.000 Jahre langen Züchtungsgeschichte drei Genome angesammelt hat, bestand die Kunst darin, dieses Gen in allen drei Genomen auszuschalten.

Es gibt rund 50.000 Pflanzenarten, von denen sich der Mensch ernähren könnte. Der Homo sapiens setzt auf fünf.

Mit einer klassischen Kreuzungszüchtung wäre dies nicht möglich ge­wesen. Der durch CRISPR/Cas veränderte Weizen braucht nun weniger Fungizide, jedenfalls keines gegen den Mehltau. „Um das Ziel einer nach­haltigen Landwirtschaft und Ernährung zu erreichen, werden sämtliche Arten der Innovation notwendig sein“, sagt ­Niggli daher. Ohne Gentechnik also keine Nachhaltigkeit?

Eines der großen Probleme der heutigen Landwirtschaft – an dem sie selbst ebenfalls ursächlich beteiligt ist – ist der Verlust an Artenvielfalt und Biodiversität. Während es rund 50.000 Pflanzenarten gibt, von denen sich der Mensch ernähren könnte, setzt der Homo sapiens im Wesentlichen auf gerade einmal fünf: Weizen, Mais, Soja, Reis, Kartoffeln. Der größte Teil des in Monokulturen angebauten Getreides wandert dabei direkt vom Acker in den Trog: 70 Prozent des europäischen Getreides ist Viehfutter, in Österreich ist es die Hälfte. Moderne Äcker, die industriell bewirtschaftet werden, sind biologisch betrachtet nichts anderes als Wüsten mit einer einzigen Pflanzenart, deren einzelne Exemplare noch dazu genetisch identisch sind. Auch aus diesem Grund sind die Insektenzahlen in den letzten Jahren um dramatische 60 Prozent gesunken.

Gentechnik für die Artenvielfalt?

Der Hang zur Monokultur bringt nicht nur den Einsatz von Pestiziden mit sich, sondern auch eine in der Natur unbekannte genetische Verarmung. Ob Tomate, Kartoffel oder Getreide: Die Sortenvielfalt bei allen Nutzpflanzen wurde in den letzten vierzig Jahren drastisch reduziert. Deshalb müssen Wildsamen und Samen ausgesonderter Nutzpflanzen in speziellen Saatgutbanken bewahrt werden: Man braucht jetzt jedwedes genetische Material, um verlorene Widerstandskräfte oder auch Nährstoffe wieder in die Kulturpflanzen zu bekommen.

Svalbard Saatgut-Tresor
Der Svalbard Global Seed Vault in Norwegen bewahrt derzeit 1,14 Millionen Samenproben von 6.000 Pflanzen vor dem Verlust. © Svalbard Global Seed Vault/Ricc

Was man als Kapitulation der Technik vor der Natur interpretieren könnte, ist für Hans-Jörg Jacobsen, einen der Pioniere der Biotechnologie, das stärkste Argument für die Technik – in dem Fall für die Gentechnik: Nur sie kann dieses genetische Material nutzen, um die verlorene Sortenvielfalt wiederherzustellen – zumindest ist nur sie schnell genug: „Gentechnik ist bereits seit fast 40 Jahren in der Lage, effizient und zielgenau Zuchtziele zu erreichen, die konventionell oder mit den Methoden der klassischen Mutationszüchtung nicht oder nur mit sehr großem Zeitaufwand erreichbar sind“, so Jacobsen. Viel Zeit sei nicht mehr, die verlorene Vielfalt zurückzugewinnen.

Gentransfers seit Mitte der 1970er

Jacobsen hat unter anderem mit Methoden des Gentransfers gearbeitet. Dabei werden Gene artübergreifend von einem Organismus auf einen anderen übertragen. Zum Beispiel von einem Bakterium auf ein anderes oder auch von einem Bakterium auf Pflanzen. Möglich ist dies schon seit Mitte der 1970er-Jahre, als man ein Gen für die Produktion von Insulin in das Bakterium Escherichia coli einschleuste. Seit 1982 wird Insulin nur noch biotechnologisch hergestellt.

Die Entwicklung von Bt-Pflanzen hat dazu beigetragen, den Pestizid-Einsatz zu verringern und Erträge zu steigern.

Ein horizontaler Gentransfer kann Pflanzen resistent machen: 1983 gelang es erstmals, das Bakterium Agrobacterium tumefaciens als Genfähre zu nutzen und so ein gewünschtes Gen in eine Pflanze – damals Tabak – zu transferieren. Heute sind solche durch horizontalen Gentransfer entstandenen Pflanzen weit verbreitet: Bt-Mais und Bt-Soja etwa enthalten ein Gen des Bacillus thuringiensis, das dafür sorgt, dass die Pflanze bestimmte für Insekten schädliche Proteine bildet. Auf diese Weise werden Insektenresistenzen in die Pflanze verlagert und müssen nicht als Spritzmittel versprüht werden.

Spritzmittel sind für alle Insekten schädlich – und nicht nur für die, die sich von der Pflanze ernähren. Die Entwicklung von Bt-Pflanzen hat dazu beigetragen, den Einsatz von Pestiziden zu verringern und die Erträge zu steigern.

Die Resistenzfalle

Gibt es sie also doch, die schöne heile Welt der Gentechnik? Maria Finckh hat da Zweifel. Die Professorin für Pflanzenschutz lehrt an der Universität Kassel in Deutschland. So, wie es ist, fahre das ganze System der Landwirtschaft gegen die Wand, meint sie. „Alle Resistenzen, die auf einzelnen Genen basieren, sind meistens nicht stabil und werden durch natürliche Selektion relativ schnell wieder ausgehebelt.“

Wie stark natürliche Selektion wirkt, er­leben derzeit zum Beispiel Soja-Landwirte in Brasilien: Auf ihren Feldern breiten sich die Weiße Fliege und der Black Armyworm, eine Schmetterlingsraupe, immer mehr aus. Letztere ernährt sich von den Unkräutern, die gegen das Herbizid Glyphosat resistent geworden sind, und frisst auch von den Sojabohnen, ohne daran einzugehen. Nachdem Soja sowohl gegen Insektizide als auch gegen Herbizide resistent gemacht wurde, verbreitet sich der Verdacht, dass übermäßiges „Stapeln“ fremder Gene ertragsmäßig mehr schadet als nützt.

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Illustration einer Maispflanze

Pro

  • Weniger Pestizide: Bildet die Pflanze für Insekten schädliche Substanzen selbst, muss weniger davon versprüht werden.
  • Weniger Wasser: Tauscht man die Enzyme aus, die bei der Reaktion auf Trockenheit eine Rolle spielen, bleibt das Pflanzenwachstum auch bei Hitzestress erhalten.
  • Weniger Dünger: Produkte mit DNA aus Bakterien und Pilzen könnten ge­zielt hergestellt werden, sodass weniger Dünger eingesetzt werden muss.
  • Schnellere Züchtungserfolge: Biotechnologie ist viel schneller als die klassische Züchtung.
  • Zielgenaue Anpassung: Es werden nur die Gene verändert, die für gewünschte Eigen­schaften relevant sind. Ungewollte Mutationen sind selten.
  • Hightech für alle: Die neue Gen­technik ist wesentlich kosten­günstiger als frühere Methoden.
  • Neue, gesündere Sorten: Schnelle Erhöhung der Sortenvielfalt bei den bestehenden Nutzpflanzen, ­Ver­besserung der Nährwerte, ­Vitamine und Spuren­elemente.

Illustration einer Maispflanze

Contra

  • Schädigung von Insekten: Auch Pflanzen, die ihr Insektengift selbst herstellen, können bestäubende ­Insekten ­schädigen.
  • Mehr Pflanzengift: Je mehr Pflanzen Unkrautvernichtungsmittel vertragen, desto mehr davon wird eingesetzt.
  • Bedrohte Biodiversität: Genetisch integrierte Insektizide und Herbizide schaffen genetisch verarmte Ökosysteme.
  • Unbekannte Risiken: Die Grundlagen vieler molekularbiologischer Prozesse sind unzureichend erforscht.
  • Konzentration auf wenige Pflanzensorten: Es entsteht keine Arten- und Sortenvielfalt, die genetische Verarmung wird weiter verstärkt.
  • Bedrohte Ernährungssicherheit: Die Verringerung der Artenvielfalt macht das Ernährungssystem noch instabiler.
  • Eigentum an Saatgut: Gentechnisch verändertes Saatgut geht mit Patenten einher, Landwirte verlieren jegliche Rechte an ihren Produktionsmitteln. Agrarkonzerne entscheiden, was angebaut wird, mit welchen Methoden und zu welchem Preis.

Die eingebaute Herbizidtoleranz ist bei Mais und Soja heute Standard, was zur Folge hat, dass immer mehr Unkrautvernichter versprüht wird. Eine Entwicklung, die aus der Sicht von Jacobsen vermeidbar gewesen wäre, denn an der Gentechnik selbst liegt das nicht. Sein Argument: Die restriktive Haltung der EU gegenüber der Gentechnik hat dazu beigetragen, dass heute nur wenige Konzerne den Markt für Saatgut dominieren. Diese haben ein Interesse daran, möglichst geschlossene Produktsysteme zu vermarkten, also zum Beispiel Pflanzen mit Herbizidtoleranz und den passenden Unkrautvernichter dazu.

An regionalen Kulturpflanzen, sogenannten Landsorten, die auch von Gentechnik profitieren könnten, wird daher wenig geforscht, man überließ das Feld den großen Konzernen. Dies war zum Nachteil der Biodiversität. Der Saatgut-Markt wird heute von nur drei Unternehmen dominiert: Bayer, Corteva und Syngenta beherrschen die Hälfte des globalen Saatgut-Marktes. Mit der Ablehnung der Gentechnik wurde eine Chance vertan, die genetische Vielfalt bei den Nutzpflanzen zu erhalten, die heute so bitterlich fehlt, meint Jacobsen: „Der Innovationsstau ist immens.“

Verteidigung von unten

Mit der Vielfalt der Pflanzen verschwand zugleich die Artenvielfalt auf dem Acker und damit die Grundlage für Ertrag und Widerstandskraft. Für Finckh drückt sich in den auf Glyphosatverträglichkeit getrimmten Pflanzen die ganze Widersprüchlichkeit der heutigen Landwirtschaft aus. „Was geschieht, ist gegen jegliche Vernunft: Wenn es um Produktivität geht, braucht man so viel Pflanzenmaterial wie möglich. Herbizide wie Glyphosat vernichten jegliche Artenvielfalt. Von dieser sind aber die Fruchtbarkeit des Bodens und die Resistenz der Pflanzen gegen Pathogene abhängig.“

Die Rettung könnte von der neuen Gentechnik kommen, zum Beispiel von CRISPR/Cas. Die Genschere kann nämlich die Zeit zurückdrehen – etwa bis zu jenem Punkt in der Geschichte der Züchtung unserer Kulturpflanzen, als sie noch stressresistent waren; Hitze, Kälte, Dürre ihnen nicht so viel anhaben konnten, weil sie noch die Mechanismen hatten, Härtezeiten durchzustehen und sich an neue Bedingungen anzupassen.

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Zahlen & Fakten

Manipulation der DNA: So funktioniert Gentechnik

Gentechnik Infografik
Bislang ging es bei der Gentechnik nur um die Pflanze, inzwischen auch um ihre Umwelt. © Andreas Posselt
  • Jede Zelle eines jeden Organismus enthält Erbinformation in Form von Desoxyribonukleinsäure (DNA). Bei Tieren und Pflanzen ist sie im Zellkern, bei Bakterien im Zellplasma.
  • Die Erbinforma­tion wird durch die vier Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin bestimmt. Deren Reihenfolge in der DNA ist der Code für bestimmte Eigenschaften.
  • Mit dem Code ändern sich auch die Eigenschaften. Allerdings: Welche Gene tatsächlich aktiviert werden, hängt zu einem großen Teil von Mikro­organismen im Boden ab – von Pilzen und Bakterien.

CRISPR: Die Zeit zurückdrehen

„Es wäre relativ schwierig, unsere hochgezüchteten Kulturpflanzen mit diesen Eigenschaften zu versehen, aber es gibt viele hitze- und stress­tolerante Wildpflanzen“, sagt der Karlsruher Molekularbiologe Holger Puchta. Aufgrund ihrer Präzision sei die Genschere CRISPR/Cas in der Lage, gezielte Veränderungen an Wildpflanzen vorzunehmen. Die Betonung liegt auf „gezielt“.

Während nämlich Selektion und Kreuzungszüchtung nicht verhindern konnten, dass mit der Forcierung von bestimmten Eigenschaften auch das Erbgut für viele andere Eigenschaften verschwand, soll jetzt durch die neue Gentechnik gerade nur so viel eingegriffen werden wie notwendig. Die Genschere ist damit so etwas wie eine zweite Chance für die Landwirtschaft: Man greift auf den in den Saatgutbanken liegenden Reichtum oder lokale Pflanzensorten zurück, um das Rad der Pflanzenzüchtung noch einmal ­zurückzudrehen.

„Aus Wildpflanzen wie der in Äthiopien angebauten Zwerghirse könnten so innerhalb kürzester Zeit neue hitze­resistente Kulturpflanzen entwickelt werden“, sagt Puchta. Dass dies tatsächlich funktioniert, haben die erstaunlichen „De-novo-Domestikationen“ von Reis- und Tomatenpflanzen gezeigt. Um aus der Wildtomate Solanum pimpi­nellifolium die Kulturtomate mit den uns bekannten Früchten zu machen, reichte es aus, sechs Gene zu verändern. Die neue alte Tomate ist etwas „wilder“ als das, was auf der Pizza liegt, scheint aber gesünder zu sein. Und sie enthält mehr Lycopin, das ist der Pflanzenfarbstoff, dem man nachsagt, vor Krebs zu schützen.

Wenn es der Gentechnik gelänge, die Nutzpflanzen vom Tropf der Pestizide zu lösen, wäre das ein enormer Erfolg. Für den Ertrag, für die Ernährungs­sicherheit und das Klima. Dafür allerdings müssten sich auch die Anbaumethoden ändern. Es gibt nämlich noch eine Artenvielfalt, die es zu schützen gilt: die Überlebensgemeinschaft, die eine Pflanze mit den Mikroorganismen, den Bakterien und Pilzen, im Boden bildet, das Mikrobiom. Das Mikrobiom ist nicht nur ein Nährstofflieferant, sondern auch das erweiterte Immunsystem der Pflanzen. Forscher sprechen daher auch von einem Verteidigungsbiom.

Gemeinsam sind Pflanze und Boden die wohl stärkste Waffe im Kampf gegen den Ertragsverlust. Das Verteidigungsbiom ist riesig: Eine Handvoll Erde enthält circa 50 Kilometer feinster Pilzfilamente; ein Hektar Boden fünf Tonnen an Mikroorganismen.
So riesig es ist, dieses Mikrobiom hat eine Achillesferse: Es hängt unmittelbar davon ab, wie vielfältig die Pflanzenwelt ist, die in ihm wurzelt. Das heißt: Pflanzen wie der Mais müssen gehen. Er ist in seiner genetischen Einfalt kein guter Partner für das Mikrobiom. Seine Urahne Teosinte war es schon. Wenn Gentechnik dem Mais die Wildheit der Teosinte zurückgibt, gibt es viel zu gewinnen: Ein intakter Boden kann immerhin 21 Prozent der klimabedingten Ernteausfälle verhindern, berechnete eine Studie im Juni 2022.