Verbessertes Saatgut: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Pflanzenzucht

Selektive Züchtung ist nicht neu, die Menschheit praktiziert sie schon seit Tausenden von Jahren. Die Pflanzenzüchtung basiert heute auf dem fortschrittlichsten Verständnis der Genetik und der biologischen Werkzeuge in der Geschichte der Menschheit - und die Wissenschaftler haben noch ein paar Asse im Ärmel.

Die Möhre auf Ihrem Teller mag Ihnen wie das Alltäglichste der Welt erscheinen: eine robuste Wurzel, die seit Generationen die Menschen – vom König bis zum Bauern – ernährt. Doch obwohl sie so bescheiden daherkommt, ist die übliche Möhre – lang, orange und knackig – in Wirklichkeit ein Beispiel für das Ergebnis eines Gentechnik-Projekts, das schon die letzten zehntausend Jahre läuft.

 

Wilde Möhren sind klein, blass und haben dünne, gegabelte Wurzeln mit einem starken Geschmack. Nur durch selektive Züchtung zugunsten der erwünschten Eigenschaften über Jahrhunderte hinweg wurde die Möhre so, wie wir sie heute kennen. Tatsächlich sah kaum eine der Obst- und Gemüsearten, die für uns heute selbstverständlich sind, ursprünglich so aus wie jetzt. Sie sind das Resultat der Erfolgsgeschichte der menschlichen Agrarwirtschaft, die damit begann, dass unsere prähistorischen Vorfahren methodisch Pflanzen mit erwünschten Eigenschaften – möglichst groß, aromatisch und widerstandsfähig gegen Krankheiten – identifizierten und kreuzten. Die einzelnen Veränderungen können gering sein, doch im Lauf der Zeit haben sich unsere Nahrungsmittel durch diesen Prozess radikal verändert. Zum Beispiel brassica: Aus dieser einen Pflanzengattung, die über Jahrhunderte sorgfältig kultiviert wurde, sind Grünkohl, Broccoli, Rosenkohl, Blumenkohl, Weißkohl und Kohlrüben hervorgegangen.

 

 

Diese Geschichte ist äußerst bemerkenswert, vor allem aber noch lange nicht vorüber.

 

 

Moderne Probleme …

Die prähistorischen Ackerbauern trafen ihre Zuchtentscheidungen, um mit ihrer Umwelt zurechtzukommen. Wenn Nahrung knapp war, konnte es über einen langen, kalten Winter den Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten, wenn man es geschafft hatte, die Kornähre nahrhafter und wetterbeständiger zu machen. Natürlich hatten diese Bauern kein wissenschaftliches Verständnis der Genetik, die diesem Prozess zugrunde liegt. Die Verbesserung der Ernte dauerte sehr lange und führte zu zufälligen Ergebnissen, da Gene auf molekularer Ebene auf unvorhersehbare Weise interagierten. Zivilisation und Wissenschaft haben sich seitdem erheblich weiterentwickelt, doch auch wir stehen vor Herausforderungen.

Die Weltbevölkerung wächst und die Klimazonen verändern sich ständig, deshalb stehen die Pflanzen unter stärkerem Druck von Krankheiten und Insekten. Wir müssen wissenschaftliche Antworten auf diese Fragen finden.
Jonathan Jenkinson
,
Head of Product Design bei Bayer

Dann gibt es auch noch den nicht ganz unwichtigen Aspekt der wirtschaftlichen Zwänge. Man braucht keinen Experten für Nutzpflanzen, um zu erkennen, dass wir gerne das kaufen, was besser schmeckt, essbar aussieht und länger frisch bleibt, ganz unabhängig von der Jahreszeit. „Die Fähigkeit, Obst und Gemüse das ganze Jahr über anzubauen und zu versenden, hatte wahrscheinlich den größten Einfluss darauf, was sich heute auf Ihrem Teller befindet“, sagt Tom Osborn, Leiter Vegetable Analytics und Pipeline Design bei Bayer.

 

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Wetterextreme wie Dürren gefährden die Ernten.

Deshalb arbeiten Agrarwissenschaftler und Pflanzenzüchter weiter an Innovationen und schaffen Nutzpflanzensorten, die an die unterschiedlichen Bedingungen auf der ganzen Welt angepasst sind, mehr Nährstoffe enthalten, besser mit Trockenheit, Krankheiten und anderen Arten von Umweltstress zurechtkommen – und auch noch schöner und aromatischer sind.

 

 

… brauchen moderne Lösungen

Doch anders als die Urbauern verfügen moderne Pflanzenwissenschaftler über ein großes Arsenal an Instrumenten, die sie einsetzen, um die Praxis der Pflanzenzucht grundlegend zu verändern.

Jedes Jahr bringt Bayer mehr als 150 neue Weizenhybriden, über 150 neue Sojasorten und rund 150 neue Gemüsehybriden oder -sorten auf den Markt.

Traditionell züchteten Bauern Pflanzen mit der Methode der Phänotypisierung. Phänotypisierung bedeutet, dass man die Ausprägungsmerkmale einer Pflanze beurteilt und dann die gewünschten Pflanzen und Samen auswählt. Praktisch heißt das, optische Unterschiede innerhalb einer Pflanzenart zu bestimmen und beispielsweise nach gewünschter Farbe, Größe oder Fruchtanzahl zu selektieren. Pflanzen vermehren sich durch eigene oder gegenseitige Bestäubung, also musste der traditionelle Bauer nur die Samen seiner gesündesten Nutzpflanzen aussäen und dann wuchsen die Pflanzen, bestäubten einander und brachten eine neue Pflanzengeneration mit einer Reihe von vererbten Merkmalen der Eltern hervor. Dies war eine ungenaue Wissenschaft, denn die selektive Züchtung lieferte oft zufällige Ergebnisse, weil die Züchter nur begrenzte Kenntnisse über die genetischen Mechanismen besaßen, die dabei am Werk waren. Dennoch führte sie im Lauf der Zeit zu deutlich besseren Erzeugnissen.

Die herkömmliche Pflanzenzucht hat sich allerdings in den letzten 15 Jahren durch die Einführung der Gensequenzierung stark verändert. Heutzutage sind Züchtungsergebnisse nicht mehr nur durch Phänotypisierung feststellbar. Wir können sehen, was mit der Struktur der DNA geschieht, und wissen, warum diese Veränderungen auf der Ebene der Gene in der Pflanze stattfinden – dies wird als Genotypisierung bezeichnet. Und dank der jüngsten Entwicklungen in der Genforschung (drei Jahrzehnte rascher Verbesserung der Gentechnologien, um die Genetik und Gesundheit des Menschen zu verstehen) ist die Kartierung der DNA von Menschen, Tieren, Pflanzen und allen lebenden Organismen schneller und günstiger als je zuvor. Deshalb können Wissenschaftler nun zu ausgefeilter Technologie greifen, um einzelne Pflanzengene zu identifizieren und exakt zu bestimmen, welche Cluster im DNA-Code für bestimmte Merkmale und Eigenschaften verantwortlich sind. Sie verfügen damit über die nie dagewesene Möglichkeit, Saatgutsorten für bestimmte Umweltbedingungen und Märkte zu entwickeln.

 

Der Mais soll speziell gegen Wetterextreme wie Dürre resistenter sein? Dank Genotypisierung kann ein Pflanzenzüchter ermitteln, welche Teile des DNA-Strangs der Pflanze die betreffende Resistenz verleihen, und nur Samen züchten, die diese Gene aufweisen. Züchter können dann diese Samen selektieren und eigenständig oder als Produkt in den Handel bringen.

Genom-Editierung bietet das Potenzial, große Herausforderungen in den Bereichen Landwirtschaft und Umweltschutz zu lösen. Dazu gehören beispielsweise ein reduzierter Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und eine verantwortungsvolle Nutzung von Energie, Land und Wasser. Im Agrarbereich wird dies in der Regel erreicht, indem nützliche Eigenschaften eines Organismus noch verbessert oder unerwünschte Merkmale ausgeschaltet werden. Inzwischen lassen sich punktgenaue Veränderungen vornehmen, präziser als jemals zuvor. Mithilfe von Verfahren wie CRISPR erzielen Forscher bereits Verbesserungen im Erbgut von Pflanzen. Man muss jedoch beachten, dass moderne Pflanzenzucht zwar eine Form der Gentechnik, aber nicht dasselbe wie Genmodifikation oder GM ist.

Aber es geht nicht nur um das Saatgut. Durch die Kombination mit allgemeinen technischen Verbesserungen im Bereich der Datengewinnung und -analyse benötigt die Genselektion weniger Zeit und neue Nutzpflanzen kommen immer effizienter auf die Felder und auf die Tische der Verbraucher. „Wenn wir Daten nutzen können, um bessere Entscheidungen darüber zu treffen, welche Weizenhybriden im Winter erzeugt werden sollen, kommen wir viel schneller zu einem neuen Produkt“, so Jonathan Jenkinson. Für ihn, der viele Jahre im Feld an Pflanzenzuchtprogrammen gearbeitet hat, ist das Ergebnis von großer Bedeutung. „Als ich mit der Feldforschung angefangen habe, musste ich alle Samen von jedem Feld aufsammeln, in einen Sack tun und damit zu dem Gebäude fahren, in dem unsere Arbeitsräume waren. Das hieß, etwa 30 Tonnen Saatgut von Hand zu bewegen, in Form kleiner Säcke, von denen jeder drei Kilo wog. Dadurch dauerte es natürlich sehr lange bis zur Markteinführung.“

 

Dank der Entwicklung moderner Datenerfassungs- und Datenanalyseverfahren sieht das Bild heute völlig anders aus – und das ist eine gute Nachricht für Landwirte weltweit, die nach Lösungen suchen. „In den letzten 30 Jahren“, berichtet Jenkinson, „hat sich die Markteinführungszeit wahrscheinlich von 11 bis 13 Jahren auf 6 oder 7 Jahre verkürzt“.

Da Gemeinden weiterhin gegen Armut, Hunger und Unterernährung kämpfen, liegt es in unserer Verantwortung, die Reichweite und Wirkung der globalen Zuchtressourcen von Bayer zu erhöhen. Wir gehen dies auf verschiedene Arten an, aber vor allem durch die Art und Weise, wie wir außerhalb unserer Mauern arbeiten, um das Saatgut zu verbessern, das den globalen Landwirten zur Verfügung steht, einschließlich Partnerschaften zum Wissensaustausch sowie Keimplasma- und Datenbeiträgen.

Zusammenarbeit ist der Schlüssel

Innovationen in der Pflanzenzüchtung haben den Wohlstand von Zivilisationen seit Jahrhunderten gefördert. Die kontinuierliche Verbesserung des Saatguts für den Anbau widerstandsfähigerer und ertragsstärkerer Pflanzen bleibt eines der stärksten Instrumente der Landwirtschaft zur Bekämpfung des Hungers und zur Unterstützung der Landwirte, die Gemeinden auf der ganzen Welt ernähren. Bayer entwickelt Pflanzen mit modernsten Züchtungstechnologien und einer umfangreichen Bibliothek von Keimplasma. Und selbst mit den Ressourcen eines Marktführers können die Herausforderungen, denen sich die Landwirtschaft gegenübersieht, nicht von einem einzigen Unternehmen allein bewältigt werden.

 

Durch die Nutzung verschiedener Keimplasmen - lebende genetische Ressourcen wie Samen oder Pflanzengewebe, die zum Zweck der Pflanzenzüchtung und -konservierung erhalten werden - bei der Entwicklung neuer Saatgutsorten können Pflanzenzüchter die Probleme der globalen Landwirte erfolgreicher lösen - und hier kommen Kooperationen ins Spiel.

 

„Saatgenetik kann eine echte treibende Kraft für die wirtschaftliche Entwicklung sein.“ So lautet die Einschätzung von Sara Boettiger.

 

Sara Boettiger
Alleine durch besseres Saatgut können wir ganze Gemeinschaften bei einer wirtschaftlichen Transformation unterstützen, denn wenn ein Kleinbauer mit seiner Anbaupflanze ein wenig mehr Ertrag erzielt und etwas mehr verdient, kann er seine Kinder in die Schule schicken und auch einen Teil wieder in sein Geschäft investieren.
Sara Boettiger
,
Head of Global Public Affairs, Science and Sustainability der Division Crop Science bei Bayer

Boettiger weist darauf hin, dass jedes Land, das erfolgreich gegen Armut vorgeht, mit der Umgestaltung seines Agrarsektors begonnen hat: „Saatgut kann ein entscheidendes Element dieser Gleichung sein. Deshalb haben wir uns bei Bayer vorgenommen, 100 Millionen Kleinbauern zu erreichen.“

 

Und deshalb trägt Bayer Keimplasma- und genetische Charakterisierungsdaten zu anderen Forschungsprogrammen auf der ganzen Welt bei. Zum Beispiel hat Bayer im Jahr 2020 eine große Spende für Maiskeimplasma an das Projekt „Genetic Enhancement of Maize“ des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) geleistet, mit dem Forscher auf der ganzen Welt den Zugang zu vielfältiger Maisgenetik erweitern sollen. Die Spende soll die Einbeziehung nicht ausreichend genutzter genetischer Vielfalt in moderne Maiszuchtprogramme erleichtern - einschließlich Organisationen, die dazu beitragen, die regionalen Kulturen für Kleinbauern auf der Grundlage regionaler Bedürfnisse zu verbessern.

 

Die Spende von Keimplasma ist nicht die einzige Möglichkeit für Zusammenarbeit. Im Jahr 2020 startete Bayer außerdem eine Partnerschaft mit dem Internationalen Institut für tropische Landwirtschaft, um das Modern Breeding Project zu starten, das sich auf die Realisierung der Widerstandsfähigkeit und des Ertragspotenzials von Maniok, Mais, Kuherbsen, Bananen, Yamswurzeln und Sojabohnen zur Unterstützung der Pflanzenproduktivität und des Wirtschaftswachstums sowie Armutsbekämpfung für die afrikanische Landwirtschaft konzentrieren wird.

 

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Mehr als 500 Millionen Kleinbauern produzieren rund ein Drittel der weltweiten Nahrungsmittelversorgung. Sie stehen vor einzigartigen Herausforderungen, die maßgeschneiderte Lösungen erfordern.

Das Projekt nutzt Erkenntnisse aus den Zuchtprogrammmodellen und Best Practices von Bayer. „Unser gemeinsames Ziel bei der Forschung und Produktentwicklung sind neue Lösungen, die zur Nahrungsmittelsicherheit beitragen und afrikanischen Wissenschaftlern und Bauern neue Möglichkeiten eröffnen. So wird Afrika dabei unterstützt, die großen Herausforderungen im Zuge des Klimawandels zu bewältigen und gleichzeitig neue Formen des Wirtschaftens in einem dynamischen Nahrungsmittelsystem zu entwickeln“, erläutert Stella Salvo, Head of Breeding Partnerships for Smallholder Farming bei Bayer. „Die Pflanzenzucht-Teams von Bayer vermitteln Best Practices für das Management von Zuchtprogrammen und die Konzeption und Anwendung von digitalen Werkzeugen, die die Forschungsprioritäten und Produktergebnisse des IITA unterstützen.“

 

 

Die Geschichte der Züchtung geht weiter

Und das ist noch nicht alles: Nutzpflanzenexperten sehen sich bereits am Übergang von der dritten zur vierten Generation der Pflanzenzucht, die auf genomischem Know-how basiert. Ziel ist es, die besten Merkmale zu bündeln, um aromatischere, nachhaltigere und ertragreichere Nutzpflanzen zu züchten, die von Grund auf besser gegen den Klimawandel gerüstet sind. Und sie werden sich dabei auf Genom-Editierungsverfahren stützen. „Ich denke, dass mit der vierten Generation der Züchtung die Präzisionszüchtung Einzug halten wird“, so Jenkinson. „Wir sind mittlerweile schon sehr gut darin, die besten Merkmale zu finden. Das haben wir über die letzten 30 Jahre perfektioniert. Doch bei der Präzisionszüchtung geht es darum, den gesamten Ansatz fundamental zu verändern. Anstatt die besten Merkmale zu selektieren, bewegen wir uns auf ein Zeitalter zu, in dem wir tatsächlich vom ersten Moment an gestalten können, was das Beste sein wird.“