Fast jeden Morgen geht Guillaume Ramstein auf dem Weg zur Arbeit durch den Universitätspark in Aarhus. Zu dieser Jahreszeit leuchten die alten Eichen in leuchtendem Grün und das Gras ist mit Löwenzahn und Gänseblümchen bedeckt.
Wenn er vor seinem Monitor Platz nimmt, ist er bereit, die Gene von Pflanzen zu untersuchen. Nicht die der Pflanzen im schönen Park, sondern ein wenig bekanntes Gras namens Brachypodium.
Am Computer durchforstet er riesige Datenmengen und versucht, in der kleinen Pflanze nützliche Gene zu finden, die es der Pflanze ermöglichen, längere Dürreperioden oder höhere Temperaturen zu überstehen.
Der Grund, warum er diese wenig bekannte Pflanze untersucht und nicht Weizen, Gerste oder Mais, die wir alle von Ausflügen aufs Land kennen, liegt darin, dass Brachypodium in der pharmakologischen Forschung so etwas wie Mäuse sind.
„Wir nennen Brachypodium die Maus unter den Getreidearten, weil sie als Modellorganismus dient, an dem man neue Dinge testen kann. Wie die Mäuse, die in der Medizin verwendet werden, lässt sie sich viel einfacher züchten und ist genetisch Nutzpflanzen wie Weizen oder Gerste recht ähnlich“, erklärt Ramstein.
„Da die DNA von Brachypodium nur etwa 300 Millionen Buchstaben umfasst, verglichen mit 17 Milliarden bei Weizen, ist sie auch viel billiger und einfacher zu sequenzieren und zu verarbeiten.“
Durch die Kartierung der nützlichen Gene, die diese Pflanzen besser an den Klimawandel und eine stärker pflanzenbasierte Zukunft anpassen, legen Ramstein und seine Kollegen den Grundstein sowohl für genetische Modifikationen als auch für die traditionelle Züchtung.
Die Buchstaben der DNA
Im Zentrum menschlicher, tierischer und pflanzlicher Zellen befindet sich ein kleiner Kern, der sogenannte Zellkern, der unsere DNA enthält.
Im Zellkern rollen sich die langen doppelsträngigen DNA-Fäden zusammen und bilden die Chromosomen. Die Fäden bestehen aus nahezu endlosen Sequenzen von vier kleinen Molekülen, die wir mit A, C, G und T abkürzen. Man nennt sie auch die Buchstaben der DNA.
Die Reihenfolge dieser Buchstaben bestimmt die Funktion unserer Gene. Normalerweise bestehen Gene aus Tausenden von Buchstaben, aber ein einziger falscher Buchstabe in der Sequenz kann sowohl zu guten als auch zu schlechten Ergebnissen führen.
Wenn sich Zellen teilen, müssen sie alle genetischen Informationen kopieren. Dieser Kopiervorgang geht manchmal schief, was zu falschen Buchstaben im Genom führt. Normalerweise korrigiert die Zelle diese Fehler, aber nicht immer.
Dasselbe passiert, wenn eine neue Pflanze oder ein neues Tier gezeugt wird. Bei der Vermischung der Gene von Mutter und Vater können Fehler oder neue Kombinationen auftreten. Diese zufälligen Variationen sind der Mechanismus der Evolution.
Kleine genetische Abweichung macht großen Unterschied
Brachypodium ist nicht die einzige Pflanze, die Ramstein und seine Kollegen untersuchen. Sie haben auch eine Pflanze namens Sorghum unter dem Mikroskop.
Sorghum ist in Bezug auf Produktion und Anbaufläche die fünftwichtigste Getreidepflanze der Welt. Es handelt sich um eine tropische Pflanze, die als Getreide und als Tierfutter verwendet wird und ursprünglich in Afrika und Asien, aber auch in Nordamerika und Südeuropa vorkommt.
In Sorghum fanden sie eine sehr nützliche genetische Mutation, erklärt er. „Wir fanden eine Variante in einem Gen, das die Photosynthese durchführt. Pflanzen mit einem A statt einem G an dieser Stelle scheinen Sonnenlicht effizienter in Energie umzuwandeln.“
„Das ist wichtig, weil das Gen in vielen anderen Nutzpflanzen ähnlich ist. Unser Computermodell legt nahe, dass die Variation auch natürlicherweise in mit Sorghum verwandten Arten wie Mais und Zuckerrohr vorkommt.“
Die Lokalisierung dieser kleinen Variationen im Genom legt den Grundstein für eine gezieltere Züchtung. Wenn die Züchter genau wissen, nach welchen Variationen in der DNA sie suchen müssen, wird die Entwicklung neuer, an das veränderte Klima angepasster Nutzpflanzen einfacher. Eine Grundlage für neue genomische Techniken
Wenn Ramstein und seine Kollegen bei QGG Variationen bei Nutzpflanzen entdecken, hören sie damit auf – und dafür gibt es einen Grund, erklärt er. „Wir veröffentlichen unsere Ergebnisse in wissenschaftlichen Zeitschriften und arbeiten mit anderen Forschungsgruppen und der Industrie zusammen, wenn sie unsere Ergebnisse nutzen. Egal, ob sie neue genomische Techniken wie CRISPR oder klassische Züchtung verwenden.“
Der Einsatz neuer genomischer Techniken (NGTs) zur Veränderung von Nutzpflanzen unterliegt in der EU strengen Vorschriften, doch neue Gesetze sind in Vorbereitung. Anfang des Jahres stimmte das Europäische Parlament dafür, den Einsatz von NGTs in einigen Fällen zuzulassen. Darüber hinaus können Wissenschaftler bereits viel erreichen, indem sie Mutationen durch Chemikalien und andere Mittel einführen, die in der EU-Gesetzgebung nicht streng reglementiert sind.
Zum jetzigen Zeitpunkt unterliegen NGTs denselben Vorschriften wie GVO, doch wenn die neue Gesetzgebung auch vom Europäischen Rat verabschiedet wird, wird sie die Verwendung von NGTs zur Durchführung genetischer Veränderungen erlauben, die auf natürliche Weise bei Nutzpflanzen auftreten könnten.
Mit anderen Worten: Die Industrie kann NGTs als Abkürzung nutzen, um den Nutzpflanzen die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Eigenschaften, für deren Entwicklung mit traditionellen Züchtungsmethoden möglicherweise viele Pflanzengenerationen nötig wären.
Und hier kommt die Forschung von Guillaume Ramsteins ins Spiel. Viele seiner Entdeckungen betreffen Mutationen, die auf natürliche Weise auch bei anderen Pflanzenarten vorkommen – wie etwa die Variation bei der Sorghum-Pflanze – und wenn das Gesetz verabschiedet wird, wird die Industrie in der Lage sein, diese Mutationen bei beliebten europäischen Nutzpflanzen legal herbeizuführen.
Neue genomische Techniken (NTGs)
Seit Anfang der 2000er Jahre hat sich die Genomtechnologie rasant weiterentwickelt. Dies hat zu vielen neuen Techniken zur Bearbeitung des Genoms von Pflanzen und Tieren geführt.
Insgesamt können diese Techniken in zwei Kategorien eingeteilt werden:
Im Jahr 2012 entdeckten Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier, dass CRISPR, ein bakterielles Immunsystem, so umprogrammiert werden kann, dass es überall in der DNA von Menschen, Tieren und Pflanzen Änderungen vornehmen kann.
CRISPR ist eine von mehreren Techniken zur Bearbeitung von DNA, war aber bisher die kostengünstigste und erfolgreichste. Mit der neuen EU-Gesetzgebung zu NGTs wird die Technologie für die Agrarindustrie an Bedeutung gewinnen.
Auch andere Technologien wie die Mutagenese durch Chemikalien oder Strahlung führen zu Mutationen im Pflanzengenom. Sie sind in der EU-Gesetzgebung jedoch nicht geregelt und werden für die Branche weiterhin wichtig bleiben.
Die Leute sind sehr skeptisch
Im Jahr 2021 entwickelte ein Unternehmen in Japan die erste CRISPR-editierte Nutzpflanze– eine gentechnisch veränderte Tomate, die einen hohen Anteil der Aminosäure GABA enthält, die unseren Blutdruck senken kann.
Die Tomate mit dem Namen „Sicilian Rouge High GABA“ wird in japanischen Supermärkten verkauft, aber in der EU sind gentechnisch veränderte Pflanzen nicht erlaubt. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen gentechnisch veränderten Pflanzen und Pflanzen, die mithilfe von CRISPR hergestellt wurden, erklärt Ramstein.
„NGTs werden oft als grundsätzlich schädlich dargestellt, aber das ist ein Missverständnis. Ich denke, dass die starke Opposition gegen GVO in Europa auf die Debatte über NGTs übergeschwappt ist. Die Verwendung von NGTs zur Herbeiführung von Mutationen, die natürlich auftreten könnten, ist meines Erachtens kein Problem. Es könnte uns tatsächlich helfen, einige der großen Probleme zu lösen, mit denen wir in der Landwirtschaft konfrontiert sind.“
Allerdings räumt er ein, dass die Technologie – wie dies bei den meisten Technologien der Fall ist – auch zur Einführung schädlicher Eigenschaften verwendet werden kann.
Ramstein sagt: „Einige Leute meinen, dass die Verwendung von NGTs der Agrarindustrie zu viel Macht verleihen würde. Und sie befürchten, dass die Industrie die Pestizid-Gene der Pflanzen verändert, damit diese resistenter gegen Pestizide werden. Das wiederum könnte dazu führen, dass mehr Pestizide auf den Feldern eingesetzt werden.“
„Natürlich wollen wir nicht noch mehr Pestizide verwenden. Der Punkt ist, dass diese Technologie genau das Gegenteil bewirken kann. Um die natürliche Abwehr der Pflanzen gegen Insekten zu stärken. Es kommt nicht auf die Technologie an, sondern darauf, wie man sie einsetzt.“
Ein Technologiemix für die Zukunft
Bei QGG Ramstein und seinen Kollegen ist man davon überzeugt, dass die Genomforschung in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird. Sie wird uns nicht nur ermöglichen, mehr Menschen mit Nahrungsmitteln zu versorgen, sondern uns auch bei der grünen Wende helfen, erklärt er.
Ramstein sagt: „Genomforschung und -technologien können ihren Teil zur grünen Wende beitragen, sind aber nicht die einzige Lösung. Ich bin überzeugt, dass wir mit einer Mischung aus grundlegendem Genomwissen, traditioneller Züchtung, ökologischer Landwirtschaft und NGTs viele der Probleme lösen werden, mit denen wir heute konfrontiert sind.“
Der Klimawandel wird den Anbau vieler Nutzpflanzen verändern. In Südeuropa werden manche Nutzpflanzen, die heute noch gedeihen, in Zukunft nicht mehr wachsen. In Nordeuropa hingegen werden steigende Temperaturen die Einführung neuer Nutzpflanzen ermöglichen.
Mithilfe der Genomforschung können wir einige dieser Veränderungen abmildern, erklärt Ramstein. „Derzeit arbeiten wir daran, die genetische Vielfalt zur Anpassung an veränderte Klimabedingungen in den nordischen Ländern zu erforschen. Wir untersuchen die natürliche genetische Vielfalt auf nützliche Merkmale bei Erbsen, Hafer und Gerste. Das ist ein großer Teil unserer Arbeit, der den Einsatz von NTGs bei diesen Pflanzen ergänzt.“