Biologischer Kniff für mehr Ertrag

Die Welt muss ihre Nahrungsmittelproduktion steigern. Forscher aus den USA haben hier nun einen Durchbruch errungen. Ihre Pflanzen produzieren auf einen Schlag 40 Prozent mehr Ertrag. 

Der Molekularbiologe Paul South mit seinen neuen Tabakpflanzen. (Bild: L. Brian Stauffer / UI Public Affairs)
Der Molekularbiologe Paul South mit seinen neuen Tabakpflanzen. (Bild: L. Brian Stauffer / UI Public Affairs)

Der Nahrungs- und Futtermittelbedarf der Welt steigt Jahr für Jahr. Die treibenden Kräfte dahinter sind das Bevölkerungswachstum und die erwachende Lust vieler Schwellenländer auf fleischhaltige Kost. Um die Nachfrage zu decken, müssen die Felder bis zur Mitte dieses Jahrhunderts den doppelten Ertrag abwerfen wie noch 2005. Für die herkömmliche Landwirtschaft ist dies jedoch ein illusorisches Ziel. Anlass zur Hoffnung gibt nun ein bahnbrechender Feldversuch eines Forscher-Teams aus den USA. Es konnte erstmals zeigen, dass Nutzpflanzen ihren Ertrag mit einem Kniff aus der Gentechnik markant steigern können.

 

Die Forscher setzten dort an, wo die herkömmliche Züchtung bislang versagte: bei der Photosynthese. Dank ihr können Pflanzen die Energie des Sonnenlichts dazu nutzen, um Kohlendioxid in Zucker umzuwandeln. Aus letzterem bilden sie anschliessend die für die Landwirtschaft so wichtigen Körner, Knollen und Stängel.

 

Die Forscher konnten die Effizienz der Photosynthese bei Tabakpflanzen derart steigern, dass diese im Feldversuch 40 Prozent mehr Ertrag abwarfen. Das ist ein Quantensprung, der aber nur durch die grüne Gentechnik möglich war. «Mit der konventionellen Züchtung hätten wir in diesem Bereich keine Chance gehabt», sagt Paul South, Molekularbiologe am Landwirtschaftsdepartement der USA. Er hat am Versuch massgeblich mitgearbeitet. 

 

Die traditionelle Züchtung durch Kreuzung zweier Elternpflanzen kann bei der Photosynthese nichts ausrichten, weil der Prozess aus rund zweihundert Schritten besteht, die an ebenso viele Gene gekoppelt sind. «Bei der herkömmlichen Zucht werden die Gene durch die Paarung zufällig gemischt. Der Züchter wählt danach die besten Nachkommen aus und verpaart diese erneut. Aber wenn so viele Gene involviert sind, kommt man mit diesem Verfahren nicht weit», sagt South. 

 

Trotzdem blieb die Photosynthese ein lohnenswertes Ziel, denn sie ist nicht nur sehr kompliziert, sondern zugleich auch einer der ineffizientesten biologischen Vorgänge überhaupt. Ihre grosse Achillesferse ist ein Enzym namens «Rubisco». Seine Aufgabe besteht darin, das Kohlendioxid aus der Luft einzufangen und den in ihm enthaltenen Kohlenstoff abzuspalten. Im Anschluss werden sechs dieser Kohlenstoffatome aneinandergehängt und es entsteht Zucker. Das ist eine Art biologisches Lego.


«Die Photosynthese ist quasi Opfer ihres eigenen Erfolgs geworden.»


 

Doch Rubisco fängt nicht nur Kohlendioxid ein, sondern ab und zu auch ein Sauerstoff-Molekül. «Das sollte es eigentlich nicht tun», sagt Sam Zeeman, Biologe und Experte für Photosynthese an der ETH Zürich. «Doch als das Enzym erfunden wurde, gab es in der Atmosphäre noch keinen Sauerstoff. Den hat erst die Photosynthese als Nebenprodukt hervorgebracht. Heute ist sie quasi Opfer ihres eigenen Erfolgs.»

 

Wenn Sauerstoff in den Photosynthese-Kreislauf kommt, gerät der Herstellungsprozess des Zuckers ins Stocken. Statt dass ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen entsteht, hört der Prozess schon bei fünf auf. Damit produziert die Pflanze Ausschussware. Das ist wie wenn eine Schokoladentafel in der Fabrik nicht sauber ausgegossen wurde und nun fünf statt sechs Reihen enthält. In Schokoladenfabriken lässt sich so etwas im Nu wieder einschmelzen. 

 

Bei Pflanzen jedoch ist der Rückbau und das Recycling dieses fehlerhaften Moleküls ein wahrer Kraftakt. «Sie müssen dazu die so genannte Photorespiration durchlaufen, ein Prozess, der aus vielen energieaufwändigen Schritten besteht», sagt Zeeman. 

 

Zu allem Überfluss kommt noch dazu, dass das Recycling nicht sehr gut funktioniert und am Ende ein Kohlenstoffatom zurück zu Kohlendioxid verwandelt wird und aus der Pflanze entweicht. Ein Teil der Schokolade landet also nicht wieder in der Pfanne, sondern vor der Fabrik auf dem Gehweg.

 

Durch die Photorespiration wird die Effizienz der Photosynthese um einen Drittel reduziert. «Es kostet die Pflanze wertvolle Energie und Ressourcen, welche sie in ihr Wachstum und den Ertrag hätte investieren können», sagt South.

 

Darum haben seine Kollegen und er via Gentechnik eine Abkürzung in den Rezyklier-Prozess eingebaut. Dabei wird das Kohlendioxid nicht wie bis anhin aus der Pflanze ausgeschieden, sondern verbleibt in der Zelle, wo es sofort wieder in die Photosynthese eingespeist werden kann.

 

Für den Bau der Abkürzung mussten sie die Gene umschreiben und zum Teil sogar ersetzen. Dazu haben sie sich auch beim Erbgut von Kürbis und dem einer Alge bedient. «Das Gen aus den Algen gibt es in Landpflanzen nicht. Es hilft aber beim Abbau der Ausschussware», sagt South. 

 

Und es funktioniert. Die Pflanzen sind effizienter und sie verschwenden kein wertvolles Kohlendioxid mehr. Peter Westhoff, Biologe an der Universität Düsseldorf, und selber in der Photosynthese-Forschung tätig, nennt die Arbeit aus Amerika einen «Durchbruch». Er sei jedoch nicht der alleinige Verdienst der amerikanischen Wissenschaftler. «Die Basis dafür wurde schon lange vorher in der Grundlagenforschung gelegt. Die Idee mit der Abkürzung stammt aus Deutschland.»

 

Ob das auch mit anderen Kulturpflanzen funktioniert, muss sich erst noch zeigen. Als nächstes soll die Abkürzung in Reis, Weizen, Soja, Kartoffel und Tomate eingebaut und im Feldversuch getestet werden.

 

Bis das klappt, könnten allerdings noch Jahre vergehen, sagt Westhoff. «Beim Tabak ist das ja noch einfach: mehr Blätter ergibt automatisch mehr Ertrag. Aber beim Weizen interessieren ja nicht die Blätter, sondern die Körner. Das heisst, es braucht auch Gene, die den Blattzellen sagen, dass sie die zusätzliche Produktion durch das Gefäss-System in die Körner transportieren sollen.»

 

Dabei könnten Probleme auftreten, wie beispielsweise, dass die Transportbahnen nicht gross genug sind. «Dann gibt es Stau in der Pflanze und die verbesserte Effizienz verpufft wieder», sagt Westhoff. 

 

Immerhin mangelt es dem Vorhaben nicht an finanziellen Mitteln. Das Projekt ist Teil einer grossen Forschungsinitiative namens RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), was so viel wie «Umsetzung einer verbesserten Effizienz bei der Phtosynthese» bedeutet. Finanziert wird es von der Bill und Melinda Gates Stiftung. Diese hat seit dem Beginn 2012 die unglaubliche Summe von 83 Millionen US Dollar hineingesteckt.

 


Die Schweiz steht bei dieser Art von Forschung im Abseits. Zu wenig Geld, zu viele gesetzliche Auflagen. 


Das sind Voraussetzung, von denen Schweizer Forscher nur träumen können. Mangelnde Finanzen ist mit ein Grund, warum die hiesige Wissenschaft bei diesem Thema im Abseits steht. Doch es ist nicht der einzige. Wichtiger noch sind die gesetzlichen Auflagen, die einen Grossteil der Experimente verunmöglichen. 

 

«Gerade in diesem Bereich ist das Forschungsumfeld in der Schweiz nicht so gut», sagt Beat Keller von der Universität Zürich. Seit Jahren macht er am Stadtrand von Zürich Freilandversuche zum Thema Krankheitsresistenz mit gentechnisch verändertem Weizen. «Ein Bewilligungsverfahren für Feldversuche mit Pflanzen, deren Photosynthese gentechnisch verbessert wurde, wage ich mir nicht vorzustellen. Die gesetzlichen Hürden sind sehr hoch. Das ist abschreckend für viele Forschungsgruppen», sagt Keller.

 

Daneben gibt es auch technische Hürden, wie etwa ein Verbot für bestimmte Gene, die in der Schweiz nicht in Nutzpflanzen eingefügt werden dürfen. «Aus eigener Erfahrung wissen wir, dass damit die Zusammenarbeit international fast unmöglich wird, weil sich Forscherkollegen nicht an der Schweiz orientieren mögen», sagt Keller. 

 

Die Zielgruppe dieser Art von Forschung bilden indes auch gar nicht die Bauern in Europa.  RIPE will explizit die Situation in Afrika verbessern. «Wir selber sind nicht auf diese Technologie angewiesen. In Sachen Ernährung haben wir ja nur Luxusprobleme. Aber in Nigeria sieht es anders aus», sagt Wilhelm Gruissem, Professor für Pflanzenbiotechnologie an der ETH Zürich. Er setzt sich seit Jahrzehnten mit den Möglichkeiten der grünen Gentechnik für eine verbesserte Ernährung in Entwicklungsländern ein.

 

Gemäss seiner Einschätzung könnten neue Nutzpflanzen, selbst wenn sie gentechnisch verändert sind, in dürregeplagten Ländern gut ankommen.  «Wenn man zeigen kann, dass man dort den Ertrag um bis zu vierzig Prozent steigern kann, dann bin ich sicher, dass die Länder in Afrika demgegenüber offen sind. Das ist ein grosser Effekt und kann darüber entscheiden, ob man Hunger leidet oder nicht.»