Eine Frage der Ähre

Weizen wird weltweit auf einer Fläche von 220 Millionen Hektar angebaut und ist die – gemessen am Flächenverbrauch – mit Abstand am weitesten verbreitete Nutzpflanze. Mit einem Ertrag von 760 Millionen Tonnen lag er zuletzt (2021) gleichauf mit Reis und hinter Mais (1162 Millionen Tonnen), aber deutlich vor den beiden nächstplatzierten Feldfrüchten: Kartoffeln und Sojabohnen (je 350 Millionen Tonnen). Hierzulande steht Getreide auf der Hälfte der insgesamt als Ackerland ausgewiesenen Anbaufläche von 11,6 Millionen Hektar, davon ist wiederum die Hälfte (2,9 Millionen Hektar) mit Weizen bestellt. Mit diesen Flächen werden Pflanzenzüchter und Landwirte es also auch in Zukunft richten müssen. Sie sollen dabei nicht nur klima- und umweltbedingten Veränderungen trotzen, sondern zudem auch mit immer weniger Fremddünger und vor allem weniger Pflanzenschutzmitteln klarkommen.

Genau an diesem Punkt setzen Anja Matzk und weitere heimische Pflanzenzüchter an. Deutschland ist traditionell eine Pflanzenzüchternation, doch solche Einigkeit hat es unter den Akteuren der Branche – die ja eigentlich Wettbewerber sind – bislang noch nie gegeben: 54 von 58 in Deutschland registrierte Züchter, vom Kleinbetrieb bis zum global ausgerichteten Saatzuchtunternehmen, verständigten sich darauf, mithilfe moderner Technologien gemeinsam eine neue Weizensorte zu züchten und zu produzieren. Diese soll sich – bei gewohnt hoher Produktqualität – auszeichnen durch eine langanhaltende Toleranz gegen möglichst viele Pilzarten einschließlich ihrer divergierenden genetischen Varianten und zugleich wenig oder keine Pflanzenschutzmittel benötigen. Grundlegende Expertise zu diesem Spezialthema ist hierzulande vorhanden, immerhin haben zwölf und damit ein Fünftel der Züchter Weizen in ihrem Angebotsportfolio.

Bedrohung durch Pilze

Der erste Wurf zielt auf Krankheiten der Nutzpflanzen. Landwirtschaftlich angebauter Weizen wird von zahlreichen ihn schädigenden Organismen bedroht: Vor allem Pilzerkrankungen machen ihm zu schaffen. Ein gegen sie gerichteter Wirkstoff erreicht immer nur einen schmalen Ausschnitt: Während eine Variante an Gefährlichkeit verliert, bedrohen neue, durch Mutation entstandene Arten die Resistenz der Pflanze und durchbrechen diese. Pilze vermögen also den Abwehrmechanismen der Pflanzen häufig auszuweichen, entsprechend müssen Wirkstoffe, die die Pflanze schützen, immer wieder neu synthetisiert werden – ähnlich Arzneien gegen Grippe beim Menschen. Die synthetisch hergestellten Mittel sind zudem teuer. Und sie töten nicht nur Fressfeinde und Parasiten, sondern auch nützliche Mikroben und Bestäuber unserer Kulturpflanzen.

Der Weizen verbraucht für seinen Anbau allein 80 Prozent der weltweit eingesetzten Mittel zur Pilzbekämpfung (Fungizide). Ohne ihren Einsatz ginge ein Viertel der globalen Weizenernte verloren, und die Welt sähe sich Zukunftsszenarien zufolge Hungerrevolten gegenüber. So mahnte beispielsweise ein von der Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften eingerichtetes Expertenforum in den vergangenen Jahren mehrfach an, den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln wegen ihrer nicht kalkulierbaren Wirkungen auf die Umwelt stark zurückzufahren – jedoch angesichts drohender Konsequenzen nur dann, wenn alternativ eine erfolgreiche Bekämpfung der Pflanzenkrankheiten gewährleistet werden könne.

Immerhin ein Viertel ihrer Ausgaben für den Pflanzenschutz stecken Landwirte hierzulande in die Bekämpfung von Pilzerkrankungen, davon entfallen drei Viertel auf die vier Arten Gelbrost, Braunrost, Septoria und Fusarium. Sie sind die Hauptaggressoren, wenngleich der Weizen neben weiteren Pilzkrankheiten – etwa Mehltau oder Schwarzbeinigkeit – auch unter zahlreichen Bakterienarten, Viren und Schadinsekten leidet wie der Weizenblattlaus oder dem Weizenhähnchen, einer Käferart.

Pilzkrankheiten setzen der Pflanze von der Wurzel über den Blattapparat bis zu den Samenkörnern zu. Sie profitieren durch ausbleibende Kälte vom Klimawandel, denn Pilze schätzen meist ein feuchtwarmes Milieu und entsprechend mildere Winter. Je häufiger das der Fall ist, umso zügiger vermehren sie sich. Gelb- und Braunrost oder auch Septoria tritici sind jene Arten, die im Frühjahr vorherrschen. Ist insbesondere der April feucht und warm, nutzen sie ihre Chance, die Blätter zu befallen. Dabei treiben Rostpilze sogenannte Haustorien in die Pflanzenzelle und entziehen ihr Nährstoffe. Der Blattapparat der Weizenpflanzen kann dann nur noch erschwert das Sonnenlicht nutzen, um Substrat umzuwandeln. In der Folge produziert die Pflanze weniger und minderwertige Körner. Ähnlich wirken die von Septoria verursachten Blattdürren. In manchen Jahren senkt allein dieser Pilz die Erträge aus Weizenanbau um 40 Prozent. Ist der Anteil der befallenen Blattfläche des Weizenfeldes sehr hoch, entsteht im Extremfall ein Totalverlust.

Feuchtwarmes Klima im Frühsommer wiederum begünstigt Pilzerreger wie Fusarium. Vor allem zu Beginn der Blüte siedeln sie sich auf den Ähren an und produzieren starke Gifte, bei Fusarium etwa Deoxynivalenol, das sich in den befallenen Körnern der Ähre ablagert. Solche Körner sind allenfalls noch eingeschränkt zu Lebens- und Futtermittelzwecken verwendbar. Sie können eine ernste Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen, lösen etwa Übelkeit aus, beeinträchtigen das Immunsystem, und wirken sich negativ auf eine Schwangerschaft aus.

Im Schnitt werden hierzulande mit Weizen bestellte Felder bis zu vier Mal mit Fungiziden besprüht. Die Folgen – Bodenverschlechterung und Insektensterben – werden öffentlich lautstark diskutiert. Jüngst schrieb sich die Europäische Kommission als Teil ihres übergreifenden „Green Deal“ die „Farm-to-Fork“-Initiative auf die Fahnen: Ziel ist es, die EU-weit eingesetzten Pflanzenschutzmittel bis zum Jahr 2030 um rund 50 Prozent zu reduzieren. Hier kam der EU-Kommission sicherlich auch zupass, dass etliche Pflanzenschutzmittel in den nächsten Jahren ihre Zulassung verlieren werden. „Zudem gibt es mehr und mehr Landwirte, die offensiv den Anspruch nach außen tragen, ‚gesünder‘ zu produzieren, und dabei zugleich die Gesellschaft mit dem Grundnahrungsmittel Weizen angemessen versorgt sehen wollen“, sagt Albrecht Müssemeier von der Landwirtschaftskammer Niedersachsen.

Müssemeier, der seit vielen Jahren Bauern berät und auf dem elterlichen Nebenerwerbshof nördlich von Hannover wohnt, weiß um die Sorgen der wegen des „Sensibelchens Weizen“ oft um ihre Ernten fürchtenden Landwirte. In der Tat stellt sich die Frage, warum der Weizen offenbar nur so unzureichend in der Lage ist, sich selbst gegen Krankheitserreger zu helfen. Zwar verfügt die Getreidepflanze über eine körpereigene Abwehrreaktion: eine Kaskade aus Proteinen, die in Stellung gebracht wird, wenn Erreger an die Pflanze gelangen. Jedoch weiß man seit einiger Zeit, dass ein dafür entscheidendes Regulator-Gen lediglich kurz anläuft und bald nach dem Start wieder abgeschaltet wird. Dafür sorgt ein sogenanntes Repressor-Protein: Es bindet an das die Abwehr organisierende Regulator-Gen, das nicht mehr abgelesen werden kann und viel zu früh wieder ausgeschaltet ist. Soll die pflanzeneigene Abwehr folglich länger weiterlaufen, muss man das Abschalten unterbinden. Dadurch kann schlagartig aus einer kurzen eine lang anhaltende Pilztoleranz werden. Nun versucht man in der Pflanzenzüchtung schon seit Jahrhunderten durch Auslese und Kreuzung per Hand und zigfache Wiederholung des immer Gleichen, die Evolution ein Stück weit in die Richtung zu lenken, in der man das Objekt der Begierde gern hätte. Da es sehr lange dauern kann, bis es zu einer erwünschten zufälligen Mutation kommt, wird seit Jahrzehnten bei der Züchtung unter anderem mit radioaktiver, ionisierender Strahlung und Chemikalien nachgeholfen. Anschließend sucht man diejenigen Pflanzen heraus, bei denen die gewünschte Mutation vorliegt – und hofft, dass andere, zeitgleich ebenfalls ausgelöste Mutationen nicht etwas Grundlegendes darüber hinaus verändert haben. Vor allem deshalb ist die klassische Züchtung stets langwierig und mit vielen Irr-, Abwegen und Sackgassen behaftet, da jeder Erfolg oft mit unerwünschten Nebeneffekten erkauft wird, die es mühsam wieder herauszukreuzen und loszuwerden gilt.

Gezielte Eingriffe ins Erbgut

Mühsam und langwierig – das müsste nicht mehr sein. Denn Pflanzenzüchter können wie andere Professionen auch die gewünschten Mutationen gezielt und damit deutlich schneller herbeiführen: CRISPR-Cas9 heißt das Zauberwort, oft einfach Genschere genannt (siehe Kasten auf Seite 17). Dietmar Stahl erläutert den experimentellen Weg, den das Forschungskonsortium unter Einsatz dieses Instrumentariums über die Pflanzengenerationen hinweg gegangen ist: „Wir starten im Labor gleich mit dem entscheidenden Akt: Es gilt, in den Samenkörnern ein einzelnes Gen zu editieren, also zu verändern, ohne etwas hinzuzufügen. Dann keimen die Samen, und einige Wochen später siedeln die Weizenpflanzen ins erste Gewächshaus über. Jede von ihnen setzt mehrere Ähren mit Samen an – aus Gründen der Qualitätssicherungskontrolle werden sie mit Plastik luftdicht überzogen. Die Pflanzen sollen sich nicht untereinander bestäuben, um das Versuchsergebnis nicht zu verfälschen.“

Die Ähren reifen vier bis sechs Wochen heran, dann lässt sich mithilfe eines molekularbiologischen Verfahrens erkennen, ob die Genom-Editierung erfolgreich war und es zu der gewünschten Mutation im auszuschaltenden Gen gekommen ist. Der Prozess beginnt von vorn: „Das Saatgut der im Gen editierten Elternpflanzen-Generation wird nach der Ernte zum Trocknen ausgelegt, daraus werden neue Weizenpflanzen angezogen – und dann wird auch bei ihnen mittels Blattproben geschaut, ob die genetische Editierung in die nächste Generation erfolgreich war. Die editierten, also im gewünschten Gen mutierten Pflanzen werden erneut dem Prozedere unterzogen, und schließlich wird in der dritten Generation noch einmal geprüft, ob die angestrebte Genom-Editierung im Erbgut stabil verankert ist“, sagt Stahl.

Die editierte Pflanze muss sich im nächsten Schritt beweisen: Sie muss in der Realität den Pilzbefall besser tolerieren, als ihre Urahnen dies vermochten. Verwendet werden frisch vom Julius Kühn-Institut in Quedlinburg angelieferte Sporen. Die Einbecker Forscher greifen auf das Pilzspektrum des dortigen Bundesforschungsinstituts für Kulturpflanzen zurück. Dabei gelangen in die Testung auch präzise definierte und analysierte Mutationen, die zu ständig neuen Varianten der Pilzarten führen.

Drei Blätter jeder Weizenpflanze werden mit den Pilzsporen besprüht, darunter stets das letzte Laubblatt, das sich vor der Ähre bildet (Fahnenblatt), und das nachfolgende F1-Blatt. Nach einigen Wochen zeigen sich überall gut sichtbare Sporenlager, und es wird ausgezählt. Das Team erfasst detailliert den Befall auf den infizierten Blättern und das Ausmaß an zerstörter Blattfläche insgesamt. Stahl resümiert: „Einige Pflanzen wehrten nach der Editierung im Gewächshausversuch sogar mehrere Schadpilze auf einmal ab.“

Komplexes Genom

Mit einem so durchschlagenden Erfolg habe man nicht gerechnet, so Stahl. Denn der Weizen mit dem wohl umfangreichsten Genom einer Nutzpflanze stelle Forschende seit jeher vor besondere Herausforderungen. Das Weizengenom ist bei einer Größe von 17 Milliarden Basenpaaren und 100.000 kodierenden Genen, die sich auf 21 Riesenchromosomen verteilen, 5-mal größer als das Mais- und 20-mal größer als das Reisgenom. Zudem hat der Weizen gleich sechs DNA-Stränge, die sich zu den drei Subgenomen A, B und D zusammenfinden. Das hat zur Folge, dass beim Weizen die Hürden für Erfolge in der klassischen Züchtungsforschung stets hoch sind.

Mithilfe klassischer Methoden die richtige Stelle für die exakte Unterbrechung des Repressor-Gens zu finden, ist enorm schwierig und zeitaufwendig. Allerdings ist das Repressor-Gen inzwischen gut beschrieben und genau charakterisiert: seine Funktion, der Ort, an dem man es in allen drei Subgenomen des Weizens findet – und, besonders wichtig: die genetische Sequenz. Als das Team um Matzk und Stahl vor gut zwei Jahren mit CRISPR-Cas9-Experimenten an eben jener Kulturpflanze mit solch komplizierten Strukturen im Erbgut begann, starteten sie mit Sommerweizen. Er ist weitaus weniger ertragreich als Winterweizen und bedeckt hierzulande auch lediglich eine Anbaufläche von etwa 50.000 Hektar. Sommerweizen dient als Viehfutter, wird im März gesät und zwischen Ende September und Ende Oktober geerntet.

Mit seiner kurzen Generationszeit dient der Sommerweizen als Pilotprojektpflanze, um alle Schritte für den Winterweizen zu testen. Letzterer ist aufwendiger zu kultivieren: Gesät wird Winterweizen zwischen Ende September und Anfang Dezember, die Ernte wird Ende Juli bis Anfang September eingefahren. Er ist die wirtschaftlich bei Weitem relevantere Art und ernährt als „Brotweizen“ Milliarden Menschen. Die Weltbevölkerung versorgt der Winterweizen mit gut einem Viertel ihres Kalorienbedarfs.

Für Sommerweizen liegen die Ergebnisse bereits aufbereitet vor. „Ohne Zweifel – das Experiment ist geglückt: Die Nachkommen der Pflanzen, die im Labor editiert und dann für die Saatgutproduktion ins Gewächshaus überführt wurden, zeigen ebenso die gewünschte Mutation wie deren Nachfolgegeneration. Sie alle sind genomeditiert“, sagt Matzk. Beim ökonomisch bedeutenderen Winterweizen ist man mit den Versuchen noch nicht ganz so weit, aber ebenfalls mit der neuen Methode gut vorangekommen: Die Genom-Editierung hat nachweislich funktioniert, und die Phase der Saatgutvermehrung ist erfolgreich abgeschlossen. Derzeit läuft noch der letzte Zyklus im Gewächshaus zu Detailüberprüfungen der experimentell ausgelösten Resistenzen gegen die diversen Pilzkrankheiten. Im April 2023 sollen Ergebnisse der Versuchsphasen vorgestellt werden.

Politische Hürden

Die Beteiligten hoffen darauf, demnächst den Weizen auf die Felder zu bringen. Bislang ist das nach europäischem Recht nicht erlaubt – beziehungsweise, um genau zu sein, derart erschwert, dass es in der Praxis nicht möglich ist. Der Europäische Gerichtshof (EuGH) hat 2018 in einem viel beachteten Urteil entschieden, dass Pflanzen, bei denen CRISPR-Cas9 zum Einsatz kommt, grundsätzlich als gentechnisch veränderte Organismen (GVO) einzustufen sind. Saatgut, das unter Zuhilfenahme dieser Technik hergestellt wurde, können Europas Bauern derzeit nicht verwenden.

Das EuGH-Urteil war seinerzeit bereits umstritten und stößt bis heute bei vielen Forschenden auf Unverständnis. Warum? Die Funktionsweise der CRISPR-Methode lässt sich gut erklären, vergleicht man sie mit der klassischen Pflanzenzüchtung. Neue Eigenschaften lassen sich in einer Pflanze verankern, wenn mittels Mutagenese, also eigens initiierter Mutationen, kleine Veränderungen im Genom erzeugt werden. „Dieser Prozess läuft in der klassischen Züchtung ungeordnet, man sucht dann die irgendwo verorteten genetischen Veränderungen wie Stecknadeln im Heuhaufen. Sie zu finden, ist äußerst aufwendig und zeitraubend – auch wenn das durchaus gelingt“, erläutert Stahl. Die CRISPR-Cas-Methodik hingegen ermöglicht es, diese Veränderung zielgenau an einer gewünschten Stelle im Genom herbeizuführen: enorm zeitsparend, ressourcenschonend, mit höherer Wahrscheinlichkeit erfolgreich.

Matzk ergänzt: „Wenn alles eingespielt läuft, dauert es nur fünf, sechs Jahre von den ersten Experimenten bis zur Entwicklung eines neuen Weizens mit den gewünschten Eigenschaften. Mittels herkömmlicher klassischer Züchtung vergehen hingegen in der Regel 10 bis 15 Jahre, bis eine neue Sorte bei dem Landwirt auf dem Feld steht.“ Ein Blick auf weitere Zahlen gibt ihr Recht. Danach finden sich bei jeder natürlichen Vermehrung in jedem neuen Getreidekorn einer Pflanze statistisch gesehen etwa 100 mutierte Stellen im Erbgut. In der klassischen Züchtung eingesetzte Strahlung und Chemikalien kreieren bis zu 100.000 teils unerwünschte Mutationen in einem Samenkorn. Mit CRISPR-Cas9 fügt man eine einzige hinzu. Die klassische Züchtung nutzt also die Schrotflinte, CRISPR-Cas9 das Skalpell. „Setzt man CRISPR-Cas9 ein, spart man je nach Komplexität des Merkmals also einige Jahre“, ergänzt Matzk.

Hinzu kommt: Im Ergebnis lässt sich das mittels CRISPR-Cas9 erzeugte, spezifisch inaktivierte Repressor-Gen im neuen Weizen nicht unterscheiden von einem gleichermaßen stillgelegten Gen, das als zufällige Mutation spontan ohne Einfluss von außen entstand oder durch Bestrahlung im Zuge konventioneller Züchtung verändert wurde – sofern es sich um die identische Veränderung an exakt der gleichen Stelle im selben Gen handelt. Im Gegensatz also zu den mit traditionellen gentechnischen Verfahren erzeugten Pflanzen, bei denen fremde Erbinformation übertragen wurde (was sich durch den genetischen Fingerabdruck nachweisen lässt), kann man selbst im molekulargenetischen Nachweis eine klassisch gezüchtete in Wachstum, Wirkung oder sonst einer Kategorie nicht von einer CRISPR-Pflanze unterscheiden. Kurzum: Nachweisen lässt sich stets die Veränderung als solche, nicht aber die Herkunft der Veränderung. Doch die Technik ist noch jung, und Kritiker befürchten, dass langfristige Folgen noch nicht absehbar sind.

„Die Arbeit, der Umgang mit dem CRISPR-Instrumentarium in der Landwirtschaft und jegliche andere Anwendung dieses ‚molekularen Skalpells‘ braucht Forschung“, sagt Andreas Houben vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben. Und selbst wenn Deutschland grundsätzlich in der Agrarforschung weltweit mit an der Spitze ist, sind beim Thema, CRISPR-Cas9 für die Landwirtschaft einzusetzen, Wissenschaftler in China und in den USA bereits weit voraus. „Je länger das ‚De-facto-EU-Verbot‘ andauert, umso stärker verliert Europas Forschung diesbezüglich den Anschluss.“ Der strengen Einordnung durch den EuGH hat sich rund um den Globus allein Neuseeland angeschlossen. Hingegen sieht die juristische Einordnung in den USA, Kanada, weiten Teilen Südamerikas und Japan die CRISPR-Technologie eher klassischer Züchtung angenähert und rückt es deutlich ab von grüner Gentechnik.

„Man sollte daher schon die Frage auf die europäische Agenda setzen, ob weiterhin die Anwendung von CRISPR-Cas9 in Europa derart gesetzlich erschwert wird, dass es einer Verhinderung gleichkommt“, sagt Matzk. Dabei sehen Züchter, Landwirte und Forschende durchaus den Sinn einer strengen Regulierung gentechnisch veränderter Organismen ein. Kritisiert wird allein die undifferenzierte Betrachtung dessen, was dazugehört: „Ich sehe einen deutlichen Unterschied zwischen Pflanzen, bei denen durch CRISPR-Cas9 eine Punktmutation erfolgte, und umfangreicheren Veränderungen im Erbgut, die zudem nicht auf natürlichem Wege hätten entstehen können“, sagt der Agrarökonom Matin Qaim, Leiter des Zentrums für Entwicklungsforschung an der Universität Bonn.

Der Europäische Rat hat inzwischen die EU-Kommission beauftragt zu eruieren, inwieweit die derzeitige Gentechnikgesetzgebung insbesondere mit Blick auf die neuen Züchtungsmethoden wie CRISPR-Cas9 noch zeitgemäß ist. Im Herbst 2022 initiierte die EU-Kommission dazu auch eine mehrmonatige Phase der „Public Consultation“, der begleiteten Meinungsbildung in der Öffentlichkeit. Die Ergebnisse der Prozesse werden derzeit aufbereitet. Angekündigt ist, dass die EU-Kommission im April 2023 auf Grundlage der diversen Erhebungen, Einschätzungen und Erkenntnisse entscheiden will, ob sie eine erneute, auch die rechtliche Einordnung umschließende Befassung mit dem Thema anstößt. Für eine Änderung der Rechtslage bräuchte es auch das Europäische Parlament.