Gene ABC

Alte Ziele und neue Methoden

Das Ziel der heutigen Pflanzenzüchter unterscheidet sich im weiten Sinne nicht von jenem der ersten Ackerbauern vor 10000 Jahren. Damals wie heute wünscht sich der Bauer widerstandsfähige und ertragreiche Kulturpflanzen.

Die Zuchtmethoden hingegen wurden laufend erweitert: gezielte Kreuzung und Auslese (z.B. alle unsere Getreide aus wilden Gräsern); Vermehrung von Pflanzen durch die Kultur von Sprossspitzen (z.B. Vermehrung virusfreier Kartoffelpflanzen); Protoplastenfusion (z.B. Verschmelzung von zwei Zellen verschiedener Pflanzenarten und damit Zusammenbringen zweier Chromosomensätze); Behandlung von Saatgut mit radioaktiver Strahlung oder Chemikalien (Entstehung neuer Pflanzensorten durch zufällige DNS-Mutationen, z.B. japanische Birne). Diese kurze Auflistung macht es deutlich: Das Erbgut von Pflanzen wurde seit jeher verändert.

So auch heute mit der Gentechnik: Mit ihrer Hilfe können gezielt einzelne oder mehrere Gene und damit gewünschte Eigenschaften (z.B. Resistenz gegenüber einem bestimmten Insekt) auf Pflanzen übertragen werden. Das übertragene Gen muss nicht unbedingt ein Gen aus einer anderen Pflanze sein, es kann auch aus einem Bakterium, Pilz, Virus oder Tier stammen.

1983 gelang die Züchtung der ersten gentechnisch veränderten (= transgenen) Pflanze. Heute, rund zwanzig Jahre später, gibt es von vielen wichtigen Kulturpflanzen auch transgene Sorten auf dem Markt. Dazu gehören Mais, Kartoffeln, Raps, Soja und Baumwolle.

Resistenz gegenüber schädlichen Organismen

Mittels Gentechnik kann man einzelne Gene in die DNS von Pflanzen übertragen und ihnen dadurch eine neue Eigenschaft wie z.B. Schädlings-Resistenz verleihen. Es ist klar: Wenn Pflanzen sich selbst gegenüber schädlichen Organismen wehren können, muss der Bauer weniger Pflanzenschutzmittel spritzen, und der Ertrag der Ernte ist grösser.

Beispiele:

• Mais mit Insekten-Resistenz: Das Bakterium Bacillus thruingiensis (Bt) wirkt auf bestimmte Insektenlarven tödlich. Wenn die Larven das Bakterium fressen, nehmen sie das von ihm produzierte Bt-Eiweiss auf. Dieses wird in ihrem Darm gespalten. Dabei entsteht ein neues Eiweiss, das Löcher in ihrem Darm verursacht- die Larven verhungern. Gentechnikern ist es gelungen, das Bt-Gen auf Pflanzen zu übertragen und diesen dadurch einen Schutz gegenüber Insekten zu verleihen, z.B. beim Mais gegenüber dem Maiszünsler.
• Weizen mit Pilz-Resistenz: Kaufen kann man transgene, pilzresistente Pflanzen zwar noch nicht. In den Gentechnik-Labors gibt es aber schon einige. So auch an der ETH Zürich: Im Maisbeulenpilz lebt ein Virus, das den Pilz dazu bringt, ein Eiweiss zu produzieren. Dieses Eiweiss bewirkt, dass sich andere Brandpilze, die denselben Mais befallen, nicht vermehren können. Gentechniker haben nun das Virus-Gen, welches die Produktion dieses Eiweisses steuert, auf Weizenpflanzen übertragen und diesen dadurch einen Schutz vor dem Stinkbrand (Pilz) verliehen.
• Kartoffel mit Virus-Resistenz: Viren sind von einer Hülle aus Eiweissen umgeben. Mittels Gentechnik kann man Pflanzen mit diesen Hüllen-Eiweissen sozusagen impfen: Man überträgt das entsprechende Virus-Gen in die DNS der Pflanze. Diese produziert dann das Virus-Eiweiss in geringer Menge. Das Vorhandensein dieses Virus-Eiweisses verleiht der Pflanze in vielen Fällen einen Schutz gegenüber dem Virus selbst. Dies wurde erfolgreiche z.B. bei Kartoffeln, Kürbis, Papaya und Zuckerrüben durchgeführt.

Resistenz gegenüber Herbiziden

Auf dem Acker kämpfen die Unkräuter mit den Kulturpflanzen um Platz, Licht, Wasser und Nährstoffe. In diesem Wettstreit sind die Kulturpflanzen meistens die Verlierer: Sie werden von den Unkräutern überwuchert. Darum setzt der Bauer Herbizide (=Unkrautvertilgungsmittel) ein, die die Unkräuter abtöten. Pflanzen können derart gentechnisch verändert werden, dass umweltverträglichere Herbizide gespritzt werden können.

Beispiel:

• Sojabohne mit Herbizid-Resistenz: Mittels Gentechnik wurde ein Bakterien-Gen auf Sojapflanzen übertragen und diesen dadurch eine Resistenz gegenüber einem vollständig biologisch abbaubaren Herbizid verliehen. Im Gegensatz zu den Unkräutern, die durch das Herbizid abgetötet werden, kommt diese transgene Soja ohne Schaden davon und kann gedeihen. Im Vergleich zum herkömmlichen Sojaanbau, bei dem 3 bis 5 verschiedene Herbizide zur Unkrautbekämpfung eingesetzt werden müssen, braucht der Bauer beim Anbau der transgenen Soja nur noch dieses eine Herbizid zu spritzen.

Resistenz gegenüber ‚Wind und Wetter’

Nicht nur Schädlinge und Unkräuter sind Ursachen für Ernteverluste. Auch ungünstige Klima- und Bodenverähltnisse wie Kälte, wenig Regen, hohe Luftfeuchtigkeit, nährstoffarme oder stark salzhaltige Erde sind Gründe, warum Pflanzen mancherorts gar nicht oder nur schlecht gedeihen. Gentechniker versuchen, Pflanzen an derart ungünstige Bedingungen anzupassen.

Beispiel:

• Tomate mit Salz-Resistenz: Gentechnikern ist es gelungen, eine Tomatenpflanze zu züchten, die resistent ist gegenüber hohen Salzkonzentrationen. Der Versuch im Labor hat gezeigt: Diese Tomatenpflanze bildet selbst dann noch normale Erträge, wenn die Salzkonzentration der Erde vierzig Mal höher ist als die normaler Böden. Die Pflanze speichert das überflüssige Salz in ihren Blättern und nicht in ihren Früchten. Übrigens: Die Salz-Resistenz wurde durch ‚Ankurbeln’ eines Tomatengens erreicht. ‚Ankurbeln’ heisst, dass das entsprechende Eiweiss in relativ grossen Mengen produziert wird.

Entfernung unerwünschter Eigenschaften

Du hast gesehen, wie man einer Pflanze durch Gen-Übertragung eine neue, gewünschte Eigenschaft verleihen kann. Jetzt zeige ich dir das Gegenteil: Es ist nämlich auch möglich, unerwünschte Eigenschaften einer Pflanze wie z.B. die Produktion eines Giftstoffes auszuschalten. Dazu wird das entsprechende Gen entfernt oder inaktiviert.

Beispiele:

• Reis ohne Allergen: Reis enthält ein Eiweiss, dass bei manchen Menschen eine Allergie auslöst. Gentechnikern ist es gelungen, das entsprechende Reis-Gen zu inaktivieren, so dass der Reis frei ist von diesem Allergie auslösenden Eiweiss. Speziell in Nüssen, Äpfeln, Soja, Sellerie und Karotten gibt es Eiweisse, auf die viele Menschen allergisch reagieren und deshalb interessant für diese Art der Forschung sind.
• Cassava ohne Giftstoff: Cassava ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel in den Tropen. Von ihren Wurzeln, die viel Stärke enthalten, ernähren sich weltweit rund 500 Millionen Menschen. Cassava enthält aber leider auch einen hohen Gehalt an einer Substanz, die bei der Aufbereitung giftiges Zyanid freisetzt. Mit traditionellen Bearbeitungsverfahren kann der Zyanidgehalt zwar stark reduziert werden, was aber sehr arbeitsaufwändig ist. Mittels Gentechnik versucht man, die Zyanidbildung in Cassava zu unterbinden.
• Tomate, die länger haltbar ist: Für das Weichwerden von Früchten und Gemüsen ist hauptsächlich das Enzym Polygalacturonase verantwortlich. Es baut einen wichtigen Bestandteil pflanzlicher Zellwände ab. Mittels Gentechnik wurde das entsprechende Gen in einer Tomatenpflanze inaktiviert, wodurch die Tomaten länger haltbar wurden. Diese Tomate war das erste gentechnisch veränderte Lebensmittel, das 1994 in den USA und in England auf den Markt kam, sich aber aus verschiedenen Gründen nicht durchsetzen konnte.

Erhöhung des Nährwertes

Der Bevölkerung in den Entwicklungsländern stehen meist nur Hülsenfrüchte, Reis, Mais oder eine andere Getreidesorte als Nahrung zu Verfügung. Mit dieser einseitigen Ernährung können nicht alle lebensnotwendigen Nahrungsbestandteile abgedeckt werden, was zu schweren Mangelkrankheiten führt. Gentechniker versuchen deshalb, den Nährwert wichtiger Grundnahrungspflanzen zu erhöhen.

Beispiel:

• Mais mit mehr lebensnotwendigen Aminosäuren: Aminosäuren sind die Bausteine der Eiweisse. Es gibt 20 verschiedene. Der Mensch kann nur 10 der 20 Aminosäuren selbst herstellen. Die übrigen 10 muss er mit seiner Nahrung zu sich nehmen. Darum werden sie als lebensnotwendig bezeichnet. Im Gegensatz zum Menschen können höhere Pflanzen alle 20 Aminosäuren selbst herstellen. Leider ist der Anteil mancher lebensnotwendiger Aminosäuren in Grundnahrungspflanzen nur sehr gering. Mais z.B. enthält nur einen kleinen Anteil der beiden Aminosäuren Lysin und Methionin. Mittels Gentechnik versucht man, deren Gehalt im Mais zu erhöhen.