Genetisch veränderter Weizen: klassische und gentechnische Modifikationen

Prof. Dr. Beat Keller
Institut für Pflanzenbiologie, Universität Zürich

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Weizen ist für die menschliche Ernährung ein zentraler Bestandteil, und die züchterische Weiterentwicklung dieser Kulturpflanze ist für die Welternährung gerade angesichts einer steigenden und anspruchsvolleren Weltbevölkerung von grosser Bedeutung.

Einleitung

Weizen ist ein genetisches "Kunstprodukt", das erst seit etwa 10'000 Jahren existiert. Er entstand im Mittleren Osten aus einer "Fusion" der Kulturpflanze Emmer mit einem Ziegengras (Aegilops tauschii). Es ist nicht bekannt, ob diese "Fusion" durch einen menschlichen Eingriff oder spontan geschah. Im Brotweizen sind drei vollständige Genome aus unterschiedlichen Arten miteinander vereinigt. Erst diese Durchmischung der Gene hat zusammen mit jahrtausendelangen züchterischen Verbesserungen zu dem heute kultivierten Weizen geführt, von dem weltweit jährlich etwa 580 Mio. Tonnen produziert werden, fast 100 kg pro Kopf der Welbevölkerung.

Züchtung in Weizen: klassische genetische Veränderungen

Züchtung basiert auf dem Genpool, der für eine Kulturpflanze zur Verfügung steht. Deshalb ist das Vorhandensein und die Erhaltung der genetischen Diversität für die züchterische Arbeit von grosser Bedeutung. Saatgut wird weltweit zwischen Züchtern ausgetauscht, unddie Züchtung versucht, Weizensorten an neue Bedürfnisse der Landwirtschaft, der Gesellschaft und an veränderte Umweltbedingungen anzupassen (z.B. geografisch neue Anbaugebiete, veränderter Krankheitsdruck). Für einige der gewünschten Eigenschaften findet sich aber im Weizengenpool nicht die gewünschte Variabilität. Dazu gehören etwa Eigenschaften wie Resistenzen gegen Pilz- oder Viruserkrankungen. Deshalb wurde in den letzten Jahrzehnten versucht, den Genpool der Wildgräser für die Weizenzüchtung nutzbar zu machen und neue Merkmale aus diesen Arten in den Weizen einzukreuzen. Kreuzungen zwischen Wildgräsern und Weizen kommen natürlicherweise nicht vor, und man muss Techniken der Gewebekultur und der Cytogenetik anwenden, um Erbmaterial aus Wildarten in Weizen einzubringen (aber keine gentechnischen Methoden). Mit diesen Techniken ist es möglich, Chromosomenabschnitte mit einigen hundert Genen aus einem Wildgras in den Weizen zu übertragen. Auf diese Art wurden wichtige Gene gegen Halmbruchkrankheiten, Braunrost und Mehltau in den Weizen transferiert. Linien mit solchen "Fremdgenen" sind auch in der Schweiz im Anbau oder in den Zuchtprogrammen.
Ein relevantes Problem in Weizen stellen weltweit auch die Viruskrankheiten dar. Gegen BYDV (Gerstengelbverwergungsvirus, befällt auch Weizen) gibt es im Genpool von Weizen keine Resistenzen. Hingegen konnten schon vor einigen Jahren Resistenzgene aus dem Wildgras Thinopyrum in Weizen eingekreuzt werden. In einem gemeinsamen Projekt des Internationalen Weizenforschungszentrums CIMMYT in Mexiko mit unserem Institut wurden nun züchterische Hilfsmittel in Form molekularer Marker entwickelt, die eine effiziente Integration dieser Gene in klassische Zuchtprogramme erlauben. Diese Beispiele zeigen, dass die Artgrenzen in der Weizenzüchtung bereits seit längerem nicht mehr gelten. Es lässt sich auch feststellen, dass bei all diesen Anwendungen der Einkreuzung und der Gewebekultur nie toxikologische Probleme bei den Endprodukten aufgetreten sind oder unerwünschte ökologische Effekte im Anbau festgestellt wurden.

Perspektiven und Ansätze der Gentechnik in Weizen

Die Gentechnik ermöglicht es, Gene nicht nur aus verwandten Arten, sondern im Prinzip aus jedem Lebewesen in Weizen einzubringen. Allerdings muss angemerkt werden, dass die Transformation von Weizen (gentechnisches Einbringen von Genen) immer noch sehr aufwendig ist. Kommerziell zur Verfügung stehen werden wohl am ehesten Linien mit erhöhter Herbizid- oder Fusariumresistenz, wie sie von einigen Firmen gegenwärtig getestet werden. In Kanada wurde Ende 1999 die erste transgene Weizensorte für den Anbau im Jahr 2000 zugelassen. Allerdings darf sie vorerst nur als Tierfutter verwendet werden. Monsanto will im Jahr 2002 die ersten transgenen, herbizidresistenten Sorten auf den Markt bringen. Für das gleiche Jahr sind auch pilz- und virusresistente Sorten angekündigt. Für die Fusarienresistenz und generell zur Verbesserung der Abwehr gegen pilzliche Pathogene werden sogenannte Abwehrproteine aus anderen Pflanzenarten (z.B. Reis) in Weizen übertragen.

Neben diesen verbesserten agronomischen Eigenschaften steht eine veränderte Zusammensetzung der Inhaltsstoffe im Vordergrund der Weizenforschung. Dazu gehört in erster Linie die Verbesserung der Backqualität, eine mögliche Veränderung der Stärkezusammensetzung, die Erhöhung des Gehalts an wasserlöslichen Ballaststoffen sowie die Senkung des Prolamingehalts. Prolamine sind als Auslöser der Zöliakie zumindest für von dieser Krankheit betroffene Patienten unerwünschte Proteine. Man kann also davon ausgehen, dass in den nächsten zwei bis vier Jahren agronomisch wertvolle, transgene Weizensorten auf den Markt kommen und in Nordamerika angebaut werden. Für Europa ist keine solche kurzfristige Entwicklung in Sicht.

In der Forschung steht eine ganze Reihe zusätzlicher Anwendungen der Gentechnik im Vordergrund. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms (SPP) Biotechnologie des Schweizerischen Nationalfonds wird an der Verbesserung der Pilzresistenz gearbeitet. In der Forschungsgruppe an der Universität Zürich steht dabei die Isolierung und Nutzung von Braunrost- und Mehltauresistenzgenen im Vordergrund. Erst die molekulare Charakterisierung dieser Gene wird eine agronomisch sinnvolle Nutzung ermöglichen. Zudem werden Strategien entwickelt, solche Gene effizient aus Wildarten zu isolieren und damit diese Genresourcen der Züchtung einfacher verfügbar zu machen. Die Gruppe von C. Sautter an der ETH Zürich konzentriert sich auf die Verbesserung der Resistenz gegen samenübertragene Krankheiten. Diese sind vor allem in Entwicklungsländern, bei zunehmendem Biolandbau aber auch in der Schweiz, ein relevantes Problem. Die im SPP laufenden Arbeiten haben zu neuen, international stark beachteten Resultaten geführt. Die für weitere Entwicklungsarbeiten nötigen Freisetzungsversuche sind aber mehrere Jahre im Rückstand und drohen damit die Umsetzung der erzielten Forschungsresultate in züchterisch relevante Weizenlinien stark zu verzögern. Auch wenn die im SPP gemachten Fortschritte nicht zu neuen, landwirtschaftlich genutzten Weizensorten führen sollten, ist es doch wichtig, Felddaten von transgenen Weizenlinien zu erheben. Erst dadurch wird eine Verbesserung der bis heute angewandten Strategien und Ansätze möglich.