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Forschungsziel: Mit weniger Wasser auskommen

Derzeit wird auf dem Gebiet der Stresstoleranzen von Pflanzen noch viel Grundlagenforschung betrieben. Wenn sich die Umweltbedingungen ändern, reagieren Pflanzen mit komplexen Anpassungsstrategien. So weiß man, dass manche Pflanzenarten bei Trockenheit ihr Wurzelwachstum intensivieren, um an Wasser in tieferen Bodenschichten heranzukommen. Andere Pflanzen stellen dagegen das Wachstum ein.
Ein weiterer Mechanismus sind die Spaltöffnungen (Stomata) an der Blattunterseite, mit denen Pflanzen ihre Kühlung regulieren und die bei Wassermangel geschlossen werden. Versuche zeigen, dass sich über diesen Vorgang die Wassereffizienz einer Pflanze deutlich verbessern lässt. Allerdings führen geschlossene Stomata auch zu einer Verringerung der Fotosynthese.

Bei manchen Pflanzenarten sind verschiedene Schlüsselproteine oder Hormone identifiziert worden, welche bei der Stressantwort eine wichtige Rolle spielen. Wenn es gelingen würde, die Produktion dieser Anti-Stress-Substanzen zu verstärken, könnten Pflanzen heiße oder trockene Perioden besser überstehen.

Zunächst geht es darum, diese verschiedenen Mechanismen molekularbiologisch zu verstehen und herauszufinden, welche Gene und Genelemente sie steuern. Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz – moderne molekularbiologische Kreuzungszüchtung, Gentechnik, aber auch die neuen Möglichkeiten des Genome Editing (CRISPR), mit denen punktgenaue Mutationen durchgeführt werden können.

  • Klassische Züchtung (SMART Breeding): Vor allem mit der modernen „Präzisionszüchtung“ – auch SMART Breeding genannt – sind in den letzten Jahren erstaunliche Fortschritte bei Sorten mit verbesserter Stresstoleranz erzielt worden. Wie bei allen Ansätzen ist auch hier eine intensive Genomforschung Voraussetzung.
    Man sucht in den Herkunftsregionen der jeweiligen Kulturarten nach seltenen, bisher kaum bekannten Wildarten oder Landrassen, die besonders gut an Trockenheit angepasst sind. Nun geht es darum, im riesigen Genom dieser Pflanzen genau jene Gene und Genabschnitte (Marker) zu identifizieren, die an der Ausprägung der Stresstoleranz beteiligt sind.
    Wenn man dann solche Pflanzen mit Kultursorten kreuzt, lässt sich mit modernen molekularbiologischen Methoden in den Nachkommen überprüfen, ob das mit dem angestrebten Merkmal korrelierende Gen-Muster vorhanden ist. Verschiedene Sorten mit so verbesserter Stresstoleranz und Wassereffizienz werden bereits angebaut.

  • Gentechnik: Trotz anfänglicher Enttäuschungen sind inzwischen bei mehreren Kulturarten gentechnisch veränderte (gv-)Sorten auf dem Markt, die zumindest unter moderatem Hitze- oder Dürrestress bessere Erträge liefern als vergleichbare konventionelle Sorten. In den USA ist seit 2013 der DroughtGard-Mais im Anbau. Drei Jahre später stand er bereits auf einer Fläche von 1,2 Mio. ha (2016). Der Mais besitzt ein Gen aus Bacillus subtilis-Bakterien. Es sorgt für die Bildung des „Kälte-Schock-Proteins“, das in Stresssituationen wie Wassermangel dazu beiträgt, wichtige Zellfunktionen aufrechtzuerhalten.
    In Argentinien ist eine im Rahmen der öffentlichen Agrarforschung entwickelte stresstolerante Sojabohne für den Anbau zugelassen. Die neuen Eigenschaften gehen auf ein verändertes Gen aus der Sonnenblume zurück, welches die Ethylenbiosynthese und damit das Pflanzenwachstum unter Stress beeinflusst. In fünfjährigen Feldversuchen hatte sich gezeigt, dass die Erträge bei Trockenstress und hohem Salzgehalt um 14 Prozent höher lagen als bei herkömmlichen Sojabohnen.
    Gv-Zuckerrohr mit einer erhöhten Trockentoleranz haben staatliche Forschungseinrichtungen in Indonesien entwickelt. Hier wurde ein bakterielles Gen für ein Protein eingeführt, das Pflanzenzellen unter Trockenstress stabilisiert. Nach Tests im Freiland wurde das gv-Zuckerrohr 2013 für den Anbau zugelassen.

  • Genome Editing (CRISPR/Cas): Was die neuen präzisen Genome Editing-Methoden („Genscheren“) im Hinblick auf eine höhere Stresstoleranz leisten können, zeigt ein aktuelles Maisprojekt aus den USA. Wissenschaftler hatten herausgefunden, dass ein bestimmtes Protein (ARGOS8) die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber dem Wachstumshormon Ethylen senkt. Produziert die Pflanze mehr ARGOS8-Protein, reagiert sie bei Stress robuster und stellt nicht wie sonst bei Wassermangel das Wachstum ein.

Mit der CRISPR-Methode gelang es, den Schalter (Promotor) des ARGOS8-Gens so umzuschreiben, dass es unter Stressbedingungen aktiv bleibt und der so editierte Mais dann bessere Erträge liefert. Das Unternehmen DuPont-Pioneer plant eine Markteinführung in den nächsten Jahren. Noch in einer früheren Entwicklungsphase befinden sich Sojabohnen, deren Trockentoleranz mit Hilfe von TALEN, einer anderen Genome Editing-Variante, gesteigert werden soll.

Dies ist ein Auszug aus einem Beitrag auf der Plattform www.transgen.de