14
Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 1 Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland Gerhard Wenzel Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt Technische Universität München 85350 Freising-Weihenstephan, Alte Akademie 12, [email protected] Das Gentechnik-Thema wird in meinem Vortrag in den Kontext Pflanzen- züchtung gestellt. Damit sprechen wir jetzt nicht nur über Gentechnik, son- dern insgesamt über Biologie, Genetik und Pflanzenzüchtung.

Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 1

Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer

Pflanzenzüchtung in Deutschland

Gerhard WenzelLehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt

Technische Universität München

85350 Freising-Weihenstephan, Alte Akademie 12, [email protected]

Das Gentechnik-Thema wird in meinem Vortrag in den Kontext Pflanzen-züchtung gestellt. Damit sprechen wir jetzt nicht nur über Gentechnik, son-dern insgesamt über Biologie, Genetik und Pflanzenzüchtung.

Page 2: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2

In der Biologie hat ein Paradigmenwechsel stattgefunden: vom rein Deskriptiven kommen wir inzwischen immer stärker zum Konstruktiven (Abb. 1).

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

deskriptiv

konstruktiv

DNAGenomik

ProteinProteomik

MetabolismusMetabolomik

Struktur

Funktion

1980

2000

Abb. 1.: Aktuelle Entwicklung der Biologie

Dies gibt uns die Möglichkeit, heute in der gesamten Biologie wirklich etwas Neu-es tun können. Dieses Neue ist nun aber nicht isoliert von klassischer Züchtung zu sehen und insofern, meine ich, müssen wir einen ganz kurzen Exkurs in die klassi-sche Züchtung unternehmen, um zu sehen, wo sich die Gentechnik in diesen Ge-samtbereich einbindet. In der klassischen Züchtung geht es grundsätzlich darum, aus einer vorgegebenen Variabilität das herauszuholen, was wir unter anthropozen-trischen Gesichtspunkten - und dies ist hier das Wichtige - nicht biozentrisch, wo die Evolution insgesamt wirkt, die Pflanzen so zu optimieren, dass sie unseren hu-manen Wünschen angepasst sind (Abb. 2).

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Pflanzenproduktion

Umwelt

anthropozentrische Systemoptimierung

Pflanze

(natürliche,

Menschkünstliche)

Abb. 2: Prinzip der Pflanzenproduktion

Page 3: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 3

Jetzt möchte ich Ihnen zur weiteren Einstimmung einen kurzen Ausschnitt aus dem Film Gentechnik auf unserem Tisch zeigen, den ein Stipendiat, Dr. Paul Pechan, im Auftrag der EU erstellt hat. Hier hält Frau Block, meine Doktorandin, gerade ein Ep-pendorfgefäß mit der DNA in der Hand. Sie hat dazu lila Handschuhe an. Die nicht Frau Block vor der DNA schützen sollen, vor dieser von machen für gefährlich gehal-tenen Erbsubstanz, sondern genau umgekehrt: die DNA muss vor Frau Block ge-schützt werden, die an ihren Händen so viele DNasen hat, dass die DNA ständig zer-schnitten wird. In diesem kleinen Klumpen ist die gesamte Erbinformation von einem Gramm Kartoffeln enthalten und das Ganze kommt jetzt noch mal schnell im Trick: Sie sehen im Film die DNA; sie wird im Trick zerschnitten und so wird ganz einfach ein neues Stück in die DNA eingesetzt, die dann in die Pflanze zurücküberführt wird. Wir sind heute in der Lage, wahlweise aus dem Kartoffelgewebe die Erbsubstanz he-rauszuziehen. Diese DNA kann man mit entsprechenden Verfahren teilen. Sie sehen die bunten, verschiedenfarbigen Basenpaare, eben die Schrift des Lebendigen. Wir können die DNA zerschneiden und dann fremde DNA oder auch pflanzeneigene DNA hier einführen und das ganze in die Pflanze zurückbringen. Das ist im Prinzip die Transformationstechnik. Es ist eine Querschnittstechnik, die bei Mikroorganismen am weitesten entwickelt ist, auch bei Pflanzen recht weit und beim Menschen weniger weit. Es geht los damit, dass

• man die DNA analysiert,

• daraus Transkripte macht,

• Proteine aufbaut,

• die Regulation richtig steuert,

• und schließlich mit der Organomik zum veränderten Oran bzw Organismus kommt.

Für alle Punkte ist viel Bioinformatik erforderlich. Das ist der Grund, weshalb die Biologie mit dem Start in die Wissenschaft hinter Physik und Chemie zurückblieb. Denn alles, wäre ohne entsprechende Bioinformatik nicht möglich, weil die Biologie wesentlich komplexer ist.

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

1000

2000

Dattelpalme

Gartenbohne

Kolbenhirse

EmmerEinkorn

SaatweizenLein

ReisMais

RoggenYamAnanasKopfkohlBlumenkohlZuckerrübeTriticale

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Abb. 3: Zeitskala der Entstehung einiger Kulturpflanzen

Ziel moderner wie klassischer Arbeit, ist immer, die Pflanze so zu optimieren, dass wir zu dem kommen, was wir wünschen. Herr James hat schon gesagt, dass diese Ar-beit vor zehntausend Jahren begann (Abb. 3). In diesen zehntausend Jahren hat er im-

Page 4: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 4

mer wieder neue Fruchtarten selektiert. Es hat tausend Jahre gedauert, bis der Emmer als erste Kulturpflanze entstand. Auch in den letzten Jahren wurden neue Kulturpflan-zen mit klassischen Mitteln selektiert, so z.B. Triticale; der gezielte Eingriff in die E-volution hört nicht auf.

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Verbesserung der Qualität

Verbesserung der Resistenz

Verbesserung des Ertrages

Änderung von Inhaltsstoffen

Neue Inhaltsstoffe

Gegen Krankheiten

Gegen Umwelteinflüsse

Erhöhung der PhotosyntheseleistungBessere NährstoffaufnahmeVeränderter Stofftransport

Erhalt der Nachhaltigkeit

In ÖkosystemenBei der ArtenvielfaltBei Genotypen

Neue SorteGenpool Neue Linien

Abb. 4: Klassische und gentechnische Züchtungsziele

Speziellere Ziele sind grundsätzlich Qualität, Änderungen von Inhaltsstoffen, neue Inhaltsstoffe, Resistenz gegen biotischen und abiotischen Stress, Verbesserung des Ertrages – irgendwas müssen wir ernten – durch Photosynthese, Leistung, Nähr-stoffaufnahme, Stofftransport und schließlich Sustainability, Erhalt der Biodiversi-tät, als weiteres wichtiges Zuchtziel (Abb. 4).

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

SelektionVariabilität

Auslesezüchtung Kombinationszüchtung

Abb. 5: Prinzip der Pflanzenzüchtung

In Abbildung 5 ist eine vorgegebene Biodiversität, ein Genpool, dargestellt aus der man im einfachsten Fall das Erwünschte ausliest, Unerwünschtes verwirft, und damit eben in die Pflanzenzüchtung hineinkommt, bei der es letztendlich immer darum geht, aus einer vorgegebenen Variabilität, Gutes auszulesen, Schlechtes wegzulassen. Züchtung ist die Kunst des Wegwerfens: Wir werfen alles Gute weg

Page 5: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 5

und behalten das Beste. Wenn das auf Anhieb nicht gelingt, dann können wir durch Kombinationszüchtung seit Mendel wirklich zu der neuen Sorte kommen. Im klas-sischen Fall werden die neuen Sorten keine Eigenschaft enthalten, die in der vor-gegebenen Variabilität nicht vorhanden ist. Hier gibt uns die Gentechnik jetzt eine Möglichkeit über dieses klassischen Grenzen hinaus zu gehen.

Abb. 6: Die Mendel’schen Gesetze am Beispiel Mais

Um die Grenzen noch einmal aufzuzeigen eine schnelle Erinnerung an die Men-del’schen Gesetzte (Abb. 6): Schwarze, glatte Mutter für die Kombinationszüch-tung, weißer, schrumpeliger Vater, F1 uniform, und hier der eigentliche Gewinn: die F2, in der jetzt schrumpelige, schwarze und glatte, weiße Körner auftreten. Ei-genschaften, die bei den Eltern nicht vorhanden waren. Diese neuere Kombination ist für die Vielfalt in der Natur verantwortlich. Ein Schritt, den wir erst seit sehr genau einhundert Jahren einsetzen. Die Effekte sind hier einmal beim Reis gezeigt (Abb. 7 ).

Abb. 7: Entwicklung des Reisertrages

Page 6: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 6

Sie erkennen die Ertragsentwicklungen beim Reis bei reiner Auslesezüchtung, und nach Mendel dieser Anstieg mit der Kombinationszüchtung (Abb. 7).

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

464958732000

373440461975

222224261950

121013141900

698101800

48691500 - 1600

35451300 - 1400

33Wildarten

HaferRoggenGersteWeizenZeit

Abb. 8: Ertragsentwicklung von Getreide (dt/ha)

Dies bedeutet in Zahlen für unsere Fruchtarten, Wildart beim Weizen, drei Dezi-tonnen pro Hektar, heute siebzig, bei anderen Kulturarten dieser Effekt nicht so dramatisch, aber auch da natürlich eine ganz gewaltige Steigerung (Abb. 8). Das Ganze ist ein sehr langer Prozess. Wenn man 1938 damit begonnen hat, in eine gu-te bayrische Braugerste Widerstandsfähigkeit gegen den Schadpilz Mehltau einzu-bauen, so hatte man fünfundzwanzig Jahre später die resistente Sorte. Klassische Züchtung erreicht viel, braucht aber viel Zeit. Das ist das, was wir uns merken müssen, und damit haben wir zwei Semester Pflanzenzüchtung hinter uns – Sie können jetzt klassische Züchtung mit Auslese- und Kombinationszüchtung. Hyb-rid-Züchtung haben wir übersprungen (Abb. 10). Das ist der Stand, den die klassi-sche Züchtung hat, und ich muss ganz kurz noch einführen, dass Züchtung bei wei-tem nicht alles ist, was zur Pflanzenproduktion beiträgt. Es kommt die Chemie da-zu: in den fünfziger Jahren die mineralische Düngung, dann die Wachstumsregler, die einen Schub gebracht haben, und schließlich die Fungizide, die für weiteren Fortschritt sorgten. Von dieser reinen Arbeit auf dem Feld ist man dann seit etwa dreißig Jahren in das Labor gegangen, in In-vitro-Kulturen, Zell- und Gewebekul-turen, die uns eine konstante Umwelt vorgeben und damit die Züchtung effizienter machen. Inzwischen kann man auch einzelne Pflanzenzellen isolieren und zu funk-tionsfähigen Pflanzen regenerieren. Das ist etwas, was wir nachher wieder für die Gentechnik brauchen. Wichtig ist dies bei der Genübertragung, aber auch für die Methode der Zellfusion. Durch Verschmelzung wandloser Zellen kann eine asexu-elle Genetik durchgeführt werden, bei der alle Eigenschaften von Mutter und Vater in die Tochtergeneration weitergegeben werden (Abb. 9).

Page 7: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 7

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

offel

⇒Kar

Fusion von:

Kartoffel

(+)

Fusion von:

Wildkartoffel (2x)

Kartoffel (2x)

(+)

=> Kartoffel (4x)

⇒Tom

mate

Tomate

Abb. 9: Protoplastenfusion

Damit nimmt man der Züchtung einiges von der Zufälligkeit. Und wir möchten ja so effizient wie möglich sein, um zu einem neuen Produkt zu kommen. Je nach-dem, welches Zytoplasma im Fusionsprodukt enthalten ist, wird aus der Fusion von Kartoffel und Tomatenzellen eine Tomoffel oder Karmate. Damit haben wir einen ersten Teil der Biotechnologie kennen gelernt, die Zellkultur, die sehr häufig der Gentechnik zugeordnet wird, aber nichts damit zu tun hat (Abb. 10). Denn bei der Zellkultur halte ich die DNA konstant, ich greife nicht in ihre Struktur ein. Ein Schaf „Dolly“ oder ein Kalb „Uschi“ hat nichts mit Gentechnik zu tun, sondern es ist reine Zellkultur, eine schnelle Vermehrung, die bei Pflanzen ohne Weiteres ge-lingt auf Haploide bin ich nicht weiter eingegangen.

Züchtung

Klassische Züchtung Biotechnologie

Auslese- Kombinations- Hybridzüchtung Zellkultur Genomik

Schnelle Vermehrung Haploide Gentransfer GendiagnoseZellfusion

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Abb. 10: Methoden der Pflanzenzüchtung

Page 8: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 8

Die Biotechnologie ergänzt sich durch die Genomik, mit den beiden großen Ar-beitsgebieten Gendiagnose, die fast von niemanden mehr wirklich ernsthaft ange-griffen wird. Und das, was wirklich in der Diskussion übrig bleibt, Gentransfer. Sie sehen, der Gentransfer braucht immer auch eine Zellkulturkomponente. Hier haben wir also ein Zusammenspiel dieser beiden Punkte. Für den Gentransfer existieren zwei Voraussetzungen: Wir müssen das entsprechende Gen wirklich als DNA zur Verfügung haben und ich brauche eine Technik, mit der ich dieses Gen wieder in die Pflanze hinein bringen kann. So einfach wie im Trick eben, ist das nun leider doch nicht. Aber das Übertragen des Gens, der zweite Punkt, ist heute einfacher, als die Genisolierung. Es gibt eine reproduzierbare Technik, mit der man Gene in die Pflanze hineinbekommt (Abb. 11).

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Abb. 11: Transformation mittels Agrobacterium tumefaciens

Es ist sehr viel schwieriger, die Gene zu isolieren, und die Forschungsarbeit an un-serem Institut konzentriert sich im Wesentlichen auf diesen Punkt. Wir wollen aber schnell sehen, wie die Übertragung funktioniert. Man nutzt dazu ein in der Natur vorkommendes System, ein Bakterium, das Wurzelhalsgallen bei einer Vielzahl von Pflanzen macht. Von diesen Bakterien hat man inzwischen Mutanten, die bei allen Pflanzen funktionieren. Die Information für die Gallenbildung liegt in Bakte-rien auf einem Plasmid. Dieses Gallen- oder Tumorgen kann herausgeschnitten und durch das erwünschte Stück Ziel-DNA ersetzt werden. Man kann dann entweder dieses Plasmit direkt in die Zelle oder über das Bakterium in die Pflanze einschleu-sen. Hier muss man möglichst ein Einzellstadium haben, damit dann auch die gan-ze Pflanze letztendlich transformiert ist.

Die Tomate war die erste kommerziell eingesetzte Transformante bei Nahrungs-pflanzen. Ich will gar nicht auf die Details eingehen aber einen ganz entscheiden-den technischen Weg vorstellen. Von der Tomaten-DNA wird eine andere Nuk-leinsäure, RNA, gemacht, die schließlich Protein produziert und in dem Fall ein Protein, das die Tomate matschig werden lässt. Wenn nun das Gen, das für dieses Protein zuständig ist, einfach in umgekehrter Richtung eingebaut wird, so dass das Gen nicht mehr Wenzel heißt, sondern Leznew, dann wird sich Wenzel und Lez-new verbinden. Es kommt zum Doppelstrang und das entsprechende Protein wird nicht mehr synthetisiert. Man kann also nicht nur fremde Gene in eine Pflanze hi-neinbringen, sondern, und das ist genauso wichtig, vorhandene Gene abschalten. Das ist die Antisenstechnik, die erstmals bei der Tomate großflächig eingesetzt wurde. Über vieles andere hat Clive James schon gesprochen.

Page 9: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 9

Flavr Savr® - die „Antimatsch“-Tomate

Das Enzym Poly-Galacturonase zerstört in der reifenden Tomate die formstabilisierenden Zellwände

Durch die „Antisense“-Technik wird weniger Enzym gebildet

=> Die Tomate bleibt=> Die Tomate wird matschig

länger fest

Deshalb ein deutsches Beispiel aus der KWS-Entwicklung. Es gibt bei der Zucker-rübe die Krankheit Wurzelbärtigkeit, die von Viren hervorgerufen wird. Ein Virus hat in der Mitte Nukleinsäure, außen eine Proteinhülle. Das Gen, das für die Bil-dung dieser Proteinbausteine verantwortlich ist, liegt auf der Virus-RNA. Man hat es von der Virus-RNA ausgeschnitten, in die Zuckerrübe übertragen und die Zu-ckerrübe, macht jetzt tatsächlich Virushüllprotein. Wenn jetzt von außen ein Virus kommt und diese Pflanze infizieren will, ist ein Überschuss an Hüllen vorhanden. Will sich das Virus vermehren, muss es Striptease machen, was bei dem Über-schuss an Hüllen nicht gelingt. So kann sich das Virus nicht vermehren. Eine Technik, die heute generell im Bereich der Virusresistenz eingesetzt werden kann.

Abb. 12: Prinzip der Anti-Sense Technik am Beispiel der Tomate

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

1995 2000 2005 2010

Spezial-Chemikalien

Pharmazeutika

Qualität (primäre/ sekundäre Inhaltsstoffe)

Ertrag (Hybrid Systeme)

ResistenzenVirus-Herbizid-

Insekten-

Zahl transgener Sorten

Abb. 13: Prognose über die Entwicklung transgener Sorten

Page 10: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 10

Wo stehen wir mit den ganzen Techniken? Wir haben inzwischen auf dem Markt eine Herbizid-, Virus- und Insektenresistenzen (Abb. 13). Das was jetzt in der Pipeline ist, ist der Einbau von Hybridsystemen. Man ist sehr intensiv daran, die Qualität sekundärer Inhaltstoffe zu verändern, Pharmazeutika in Pflanzen und schließlich Spezialchemikalien zu erzeugen. Und dies sind Bereiche, wo sich auch die deutsche chemische Industrie, die sich ja sehr zurückgehalten hat, wieder ganz ernsthaft einklinkt. Hier glaubt man nun tatsächlich Geld verdienen zu können. Über diese ökonomischen Aspekte wird Herr Friedt sprechen.

In jedem Zellkern steckt ein langes DNA-Mölekül, und jeder von Ihnen hat in jeder seiner Zellen einen 1,80 m langen DNA-Faden. Wenn wir nun Gene suchen, dann könnte man die Nukleotide des DNA-Fadens nacheinander sequenzieren, wie bei dem Human-Genom-Project. Der relativ kurze DNA- Faden der Phagen besitzt tausend Nucleotide (Abb. 14). Beim 1,80m langen DNA-Fadens des Mensch sind das schon drei mal zehn hoch neun, drei Milliarden Basen.

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Viren

Bakterien

1 000 b

Arabidopsis

Reis

Rübe

Gerste

Mais

Weizen

= 1 Buchseite 1000 Buchstaben

1 000 000 bp

1,3 x 108 bp

= 1 Buch mit 1000 Seiten

= 130 Bücher

= 500 Bücher

= 720 Bücher

= 5 000 Bücher

= 5 000 Bücher

= 16 000 Bücher

5 x 109 bp

16 x 109 bp

5 x 109 bp

7,2 x 108 bp

5 x 108 bp

Mensch 3 x 109 bp = Bibliothek mit 3000 Büchern

Abb. 14: Größe von Genomen in Anzahl Basen (ATGC) und der davon als Schrift benötigte Schreibplatz

Kommt man zur wichtigsten Fruchtart, zum Weizen, dann würde diese Informati-on, die auf der DNA des Weizens lokalisiert ist, sechzehntausend Bücher füllen, jedes Buch tausend Seiten, auf jeder Seite tausend Buchstaben. Das ist die Aufga-be, die sich heute der Wissenschaft stellt. Will man hier gezielt eingreifen, muss man erst dieses Buch lesen und dann die Sätze finden, die man durch Austauschs einer Base, eine Nucleotids, ändern möchte. Aus einem „Man bohrt nicht in der Nase“, könnte ein „Max bohrt nicht in der Nase“ werden Dies sind die Aufgaben, die vor uns stehen. Der Weizen ist übrigens nicht intelligenter als der Mensch, weil er mehr Gene hat. Es gibt dicke Bücher, in denen nichts drin steht, dazu gehört der Weizen, bei dem vieles mehrmals gedruckt ist. Die Zahl der Gene, die wirklich et-was tun, ist höchstwahrscheinlich nicht größer als beim Menschen. Vor einem Jahr habe ich noch gesagt, sie ist kleiner. Dies kann man nicht mehr sagen, denn die Pflanze hat keine Ausscheidungsorgane, und deshalb braucht die Pflanze kompli-ziertere Entgiftungssysteme, sie kann nicht weglaufen, all dieses muss sie selbst steuern, und wahrscheinlich ist es so, dass die Pflanze mehr Gene als der Mensch hat.

Page 11: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 11

Wir finden auch zunehmend in der Pflanze Gene, die für den Menschen interessant sind. Das Hämoglobin, der rote Blutfarbstoff, z.B. wird auch in der Pflanze ge-macht. Hier sind also viele, viele Vergleichbarkeiten.

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Normaler Weg Reverser Weg

Gen

DNA

Transkription

RNA

Processing

Translation

Protein

Phänotyp

Protein

RNA

ReverseTranskription

cDNA

Genomische DNA

Gen

n

Phänotyp

n

Abb. 15: Weg vom Gen zum Erscheinungsbild

Wie findet man nun in diesem riesigen Buch die Gene? Sie haben gelernt, wie es vom Gen über die DNA, RNA, Protein zum letztendlichen Erscheinungsbild kommt (Abb. 15). Seit dreißig Jahren kann der Prozess rückwärts vom Phän zum Protein erfolgen. Gut gelingt dies, bei den Fetten und Ölen. Die verschiedenen Fettsäuren reichen von einer C-Atomlänge von acht bis zu zweiundzwanzig. Alle können heute im Raps nach gentechnischen Verfahren erzeugt werden. In der für uns wichtigsten Fruchtart könnte man, wenn man es denn vom Prototyp wirklich zur Sorte bringt, alle für die Ernährung wichtigen Fettsäuren in der gewünschten Zusammensetzung herstellen. Dieses geht gentechnisch, weil man hier so unglaub-lich viel weiß. Patente dafür sind weitgehend in englischer Hand. Besser sieht es bei der Stärke aus. Hier ist die deutsche Forschung relativ früh eingestiegen und die meisten Patente, die dahin gehen, dass Pflanzen nicht immer ein Gemisch von A-mylose und Amylopektin produzieren, sondern nur das eine oder verstärkt das an-dere, liegen in Deutschland.

Nun ein ganz anderer Blick, einmal auf einen Freisetzungsversuch auf unserer Ver-suchstation in Roggenstein. Im ersten Jahr waren Karoffeln mit einem zusätzlichen Photosynthesegen kleiner, hatten aber trotzdem die gleiche Knollengröße. Es hat in dem Jahr gereicht, dass die kleinen Pflanzen trotzdem den gleichen Ertrag gebracht haben. Dies hat sich leider bei den Wiederholungen nicht bestätigt. Wir können al-so hier heute noch nicht sagen, dass es über Gentechnik gelungen ist, durch Steige-rung der Photosyntheserate zu besseren Fruchtarten zu kommen.

In Deutschland bekommt man relativ leicht Geld für Monitoring-Versuche, mit de-nen man transgene Pflanzen verfolgen kann. Hierfür gibt es das schöne Verfahren der quantitativen PCR. Wenn ich ein Korn in tausend Körnern habe, dann kann ich in diesem Gemisch nachweisen, dass hier ein Transgen vorhanden ist.

Page 12: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 12

22,5

33,5

44,5

55,5

66,5

7

bis 1980 81-85 86-90 91-95 96-2000

Mehltau

Gelbrost

Braunrost

Septoria tritici

Fusarium

n=6 n=15 n=30 n=17 n=22

Boniturnote

Abb. 16: Abnahme der Anfälligkeit von Sorten (n) gegenüber pilzlichen Schaderregern

Nun zum wichtigsten Ziel in der Pflanzenzüchtung - Clive James hat es schon ge-sagt - zur Resistenz. Die klassische Resistenzzüchtung ist bei den Krankheiten Mehltau, Gelbrost, Braunrost, Spelzenbräune und Taubährigkeit z.T. gut vorange-kommen (Abb. 16). Es ist überall ein deutlicher Fortschritt zu erkennen. Am lang-samsten ist er bei Fusarium, also bei der Taubährigkeit, und er ist auch nicht allzu toll bei der Spelzenbräune. Sie haben andere genetische Grundlagen und das üble ist, dass Fusarium nun auch noch Toxine in den Ähren macht, so dass man hier vor allem vorankommen möchte.

X18M8

0.6

Xwhs178

0.7

18M30.5

18M118M518M418M2Pm1c

0.9

18M618M9

cMChr. 7DL

Xgwm106

14.7

XACA/CCG-4202.1 Xgwm3372.4 XAAT/CCA-3460.0 Pm240.0 ACA/CTA-407

10.3

Xgwm458

cMChr. 1DSChiyacao

-

Xpsr129

5.7

Xwg3411.1

S26M260.0S24M211.1

Pm290.0S24M130.0S19M230.0S22M260.0S25M150.0S13M230.0

S17M251.1S23M162.1

S22M23

cMChr. 7AL

M1N

Xpsr129

5.7

Xwg3411.1

S26M260.0S24M211.1

Pm290.0S24M130.0S19M230.0S22M260.0S25M150.0S13M230.0

S17M251.1S23M162.1

S22M23

cM

Xpsr129

5.7

Xwg3411.1

S26M260.0S24M211.1

Pm290.0S24M130.0S19M230.0S22M260.0S25M150.0S13M230.0

S17M251.1S23M162.1

S22M23

cMChr. 7AL

X18M8

0.6

Xwhs178

0.7

18M30.5

18M118M518M418M2Pm1c

0.9

18M618M9

cMChr. 7DL

X18M8

0.6

Xwhs178

0.7

18M30.5

18M118M518M418M2Pm1c

0.9

18M618M9

cMChr. 7DLPova

Xgwm106

14.7

XACA/CCG-4202.1 Xgwm3372.4 XAAT/CCA-3460.0 Pm240.0 ACA/CTA-407

10.3

Xgwm458

cMChr. 1DS

Xgwm106

14.7

XACA/CCG-4202.1 Xgwm3372.4 XAAT/CCA-3460.0 Pm240.0 ACA/CTA-407

10.3

Xgwm458

cM

Chr. 1DSChiyacao

x

F1 x

Marker-based selection of individuals carrying 3 Pm genes

Abb. 17: Marker-gestützte Selektion auf Weizen mit drei Resistenzgenen gegen den Schadpilz Mehltau

Wie kommt man zu Genen, wenn man keine Proteine kennt. Dazu kreuzt man an-fällig, mal resistent, kann dann phenotypisch die Pflanzen bonitieren und mache das Gleiche gleichzeitig auf der DNA-Ebene (Abb. 18). So kann man schließlich Genkarten erstellen und auf der Gesamtgenkarte festlegen, wo Resistenzgene lie-

Page 13: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 13

gen. Mit diesem Wissen, was klassisch nicht so ohne Weiteres zu erreichen ist, können verschiedene Resistenzen miteinander kombiniert werden (Abb. 17). Dies führen inzwischen die praktischen Pflanzenzüchter durch, die ihre Züchtung, die bisher immer den Züchterblick und dem grünen Daumen brauchte, durch solche Techniken begleiten, unterstützen und zu Pyramidisierungen von Genen kommen. Von der Karte kann man letztendlich zu dem Gen selbst kommen und damit arbei-ten (Abb. 18).

Kreuzung von zwei nahisogenen Gerstenlinien P01 mit Mla1 x P10 mit Mla12

Kartierungspopulation mit 950 Individuen

Phänotypisches Screening Mehltaubonitur

Genotypisches Screening RFLPs, AFLPs

YAC Bank Screening mit eng gekoppelten genet. Markern

Positiver YAC mit 180 kb, der die Region überspannt

cDNA Bank Screening; Klonierung; Transformation

RFLP1 MlaAFLP1

AFLP3

AFLP2

RFLP2

0,1 cm

Abb. 18: Kartengestützte Isolierung des Resistenzgens gegen Mehltau bei der Gerste

Das Gleiche machen wir zur Zeit bei Fusarium. Da finden wir dann nicht ein Gen, sondern wir haben im Augenblick fünf Gene, die für die Fusariumresistenz verant-wortlich sind. Klassisch lassen sie sich unglaublich schwer kombinieren, mit dieser Marker-Unterstützung gelingt es, sie zu pyramidisieren und wir hoffen, dass wir damit zu entsprechend resistentem Material kommen. Wenn es noch mehr Gene sind, wie hier im Fall von Phytophtera, bei der Kartoffel, wird es noch schwieriger. Nach einer Infektion, und das ist jetzt etwas überraschend, werden in der anfälligen Sorte mehr Gene angeschaltet als in resistenten. Diese Unterschiede kann man nun nutzen, um in vielen unbekannten Systemen Gene zum Aufbau entsprechender Re-sistenzen zu finden.

Das wären also ein paar Highlights. Das Problem in der grünen Gentechnik liegt in ihren Kosten. Ob ein Gen aus einer Pflanze isoliert oder ein wichtiges Gen für Humankrankheiten gesucht wird, die Kosten sind praktisch die gleichen. Und da-mit wird es schwierig, dass ein Pflanzenzüchter hier ein „Return of Investment“ sieht. Je mehr in Sicherheitsmaßnahmen intensiviert werden muss, um so teurer wird es, eine transgene Pflanze auf den Markt zu bringen. Damit spielen wir den großen Firmen in die Hand, denn nur die können sich das leisten. Der kleine Züch-ter, der insgesamt zwischen 1 und 4 Millionen Euro im Jahr an Lizenzen einnimmt, kann sich nicht leisten, für zehn Millionen Euro eine transgene Sorte auf den Markt zu bringen.

Page 14: Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer ... · Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 2 In der Biologie hat

Prof. Dr. Gerhard Wenzel Grundlagen und Schwerpunkte klassischer und gentechnischer Pflanzenzüchtung in Deutschland 14

Lehrstuhl für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Pflanze

DNA-Extraktion

Gensonden

Genkarte

GenidentifizierungGenklonierung

Genexpression

Screening

Fingerprint

Schnelle Vermehrung

Doppel Haploide

Transformation

Klassische Züchtung

Proto-plasten

20 000

Gene

10 Gene

markergestützteSelektion

Genübertragung

Abb. 19: Zusammenfassung der Wege auf denen die klassische Züchtung durch biotechnologische Wege unterstützt werden kann

Damit möchte ich zusammenfassen: Im Zentrum der Pflanzenzüchtung steht die klassische Züchtung (Abb. 19). Sie wird unterstützt durch markergestützte Selektion, durch Genübertragung. Und wenn wir uns einmal ansehen, was hier machbar ist, dann werde ich die zwanzigtausend Gene, die Suppe der Informa-tion, immer klassisch zusammenstellen. Ich kann dann mit zehn Genen etwas Salz in die Suppe geben. Es ist gut, dass viele aufpassen, dass wir die Suppe nicht versalzen. Schließlich möchte ich das wiederholen, was Clive James schon gesagt hat. Gentechnik allein wird die Agrarprobleme nicht lösen! Die Dynamik der Evolution wird auch den Erfolg der besten Superpflanze begren-zen und deshalb bedarf es einer effizienten Züchtungsarbeit, die alle Intelli-genz zusammenfasst, um schlauer zu sein als die Bakterien, die das Gleiche essen wollen wie wir. Um hier zum Erfolg zu kommen darf, im Gegensatz zu meinem Vortrag, Züchtung nie aufhören, erst recht nicht die modernste.

Gentechnik alleinwird die Agrarprobleme nicht lösen

nnnnn die wird den dauerhaften Erfolg einer Superpflanze

Effiziente Züchtung darf nie aufhören

Dynamik der Evolution

begrenzen

Vielen Dank.