Grüne Gentechnik: Züchtung von "unsterblichem" Getreide
Es begann mit einem Geständnis. "Meine Nichte hat mir gebeichtet, dass sie ein altes Tagebuch von mir geklaut und gelesen hat“, berichtet Jill Farrant. Die südafrikanische Molekular- und Zellbiologin forderte ihre Notizen zurück und schmökerte darin. "Es war recht peinlich, was ich als Neunjährige geschrieben hatte. Auf einmal bin ich aber an einem Satz hängen geblieben.“ Er lautete: "Die tote Pflanze auf den Felsen ist wieder am Leben, aber Vati glaubt mir das nicht.“
Als blutjunge Wissenschafterin stieß sie dann auf eine Studie, in der ebenfalls solch ein Phänomen beschrieben wurde: Manche Pflanzen vertrocknen und können wieder auferstehen. Von einem Tag auf den anderen änderte Farrant ihr Forschungsthema. Sie kehrte an jene Stelle auf der elterlichen Farm zurück, wo sie als Kind ihre Beobachtung gemacht hatte, und holte von dort Pflanzen, um hinter deren Geheimnis zu kommen. Mit solchem Wissen könnte man Getreidesorten herstellen, die lange Trockenheiten überstehen, erklärt Farrant profil bei einem Besuch des Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie in Wien.
Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) bedroht Trockenheit die Lebensmittelversorgung von Hunderttausenden Menschen; Tendenz steigend, denn der Klimawandel bringt vermehrt Extremereignisse wie Dürren. Österreichische Forscher haben aktuell herausgefunden, dass sie oft wie Hurrikane quer über einen Erdteil ziehen und ein Band der Verwüstung hinter sich lassen. In vielen Ländern Afrikas würde die Landwirtschaft mit derzeitigen Sorten bis 2050 wegen Wassermangels sogar unmöglich. Die Entwicklung von trockenheitsresistenten Getreidesorten ist für Farrant auch ein Wettlauf gegen die Zeit, um vor allem in Afrika die Ernährung der Menschen zu sichern. Die Versorgung mit Wasser ist fast auf dem ganzen Kontinent die Achillesferse der Landwirtschaft. Für herkömmliche Getreidesorten ist ein Austrocknen fatal. Farrants "wiederauferstehende Pflanzen“ können aber problemlos 95 Prozent Wasser verlieren. Sie sehen dann genauso traurig aus wie jedes andere vertrocknete Gewächs. Sobald es regnet, gedeihen sie aber wieder in alter Pracht. Freilich gefährden auch weitere Probleme wie Erosion und Nährstoffmangel die Ernten - doch Farrant will sich mit der Trockenheit erst mal auf einen wichtigen Risikofaktor konzentrieren.
Wiederauferstehende Pflanzen
Es gibt weltweit mehr als 350 Arten natürlicher wiederauferstehender Pflanzen, hauptsächlich in Afrika. Hierzu zählt Anastatica hierochuntica, auch "Wüstenrose“ oder "Rose von Jericho“ genannt, sowie die "Steinblume“ Selaginella lepidophylla. Solche Gewächse gibt es auch in Amerika, Asien und Europa. In Österreich findet man im Hochgebirge die Arten Haberli raropensis und Bowia hydroscopica. Sie kommen dort besonders gut mit Kälte und Trockenheit zurecht.
All diese Stehaufpflänzchen bedienen sich eines Mechanismus, auf den die Pflanzenwelt und auch die Landwirtschaft weltweit angewiesen sind: die Erzeugung von Samen. Auch diese sind weitgehend wasserfrei und brauchen nur ein wenig Feuchtigkeit, um aus einem Ruhestatus aktiv zu werden. Im Gegensatz zu Samen kann eine wiederaufstehende Pflanze aber nicht nur ein Mal austrocknen und erneut erblühen, sondern wieder und wieder. Dazu schaltet sie dieselben Gene ein wie andere Pflanzen bei der Samenbildung, und zwar von der Wurzelspitze bis zu den Blättern, was sonst kein Gewächs von selbst tut. Farrant will "normale“ Pflanzen, vor allem Getreide, gleichsam daran erinnern, dass sie auch über diese genetische Ausstattung verfügen. Dazu musste sie zunächst entschlüsseln, welche Register die wiederauferstandenen Pflanzen wann ziehen, um mit wasserkargen Zeiten zurechtzukommen.
Wenn sie die Hälfte des Wassers verloren haben, legen sie einen Schalter um und starten Prozesse, die sie auf das unvermeidbare Austrocknen vorbereiten. Die Pflanzen bilden gelartige Substanzen, die ihre Zellen auskleiden. Dadurch fallen sie nicht in sich zusammen, wenn der Wasserdruck fehlt, der sie sonst stützt. In diesem Gel werden alle Vorgänge eingefroren. Darum entstehen keine Abbauprozesse und schädlichen Substanzen wie Sauerstoffradikale, die ein Wiederauferstehen vereiteln könnten. Die Gelfülle besteht hauptsächlich aus Zucker, den die Pflanzen zum Regenerieren verwenden, wenn sie wieder an Wasser kommen. Dann wachsen sie besonders schnell, als wollten sie die verlorene Zeit nachholen. Außerdem sind die Zellwände so gebaut, dass sie sich beim Austrocknen entlang vorbestimmter Knickstellen zusammenfalten, statt zu zerbrechen wie andere Gewächse.
In den 20 Jahren, in denen sie sich mit solchen Überlebenskünstlern beschäftigt, habe sie noch keine umbringen können, berichtet Farrant. In der Natur wie im Labor würden diese Gewächse die schlimmstmöglichen Bedingungen für Jahre überstehen. Je nachdem, um welche Art es sich handelt, brauchen sie nach einer Trockenheit zwölf Stunden bis drei Tage zum Regenerieren.
Keine "fremden Gene"
Die Forscher fanden heraus, dass ein Set von 200 bis 300 Genen aktiv werden muss, um einen Organismus resistent gegen das Austrocknen zu machen. Diese Gene kommen nicht nur in wiederauferstehenden Pflanzen vor, sondern in allen anderen, die Samen bilden, also auch bei Nutzpflanzen wie Mais, Weizen, Gerste und Hirse. Farrant möchte dort die passenden genetischen Schalter (Genregulatoren) einbauen, damit sie diese Gene nicht nur bei der Samenbildung anknipsen, sondern überdies dann, wenn Trockenheit naht. Sie will möglichst kein Fremdmaterial in die Pflanzen schleusen, sondern nur mit Präzisionsmethoden wie der modernen "Crispr-Cas“-Genschere die regulatorischen Abschnitte im Erbgut anpassen. "Fremde Gene in Pflanzen einzubringen, hat sich zwar als sicher herausgestellt, wird aber von vielen Menschen nicht akzeptiert“, sagt Farrant. Für sie sei nicht nachvollziehbar, warum man Schweine so modifizieren darf, dass sie Insulin für Zuckerkranke herstellen, Nahrungsmittel aber tabu sind, obwohl die Methode genauso sicher und zweckmäßig sei. Damit ihre trockenheitstoleranten Getreidesorten nicht abgelehnt würden, sollten die gentechnischen Veränderungen so gering wie möglich sein.
"Für den Anfang wären schon Getreidesorten sehr hilfreich, die mit Dürrezeiten ein wenig länger zurechtkommen als die verfügbaren“, erklärt die Forscherin. Hirse oder Mais müssten ja nicht jahrelange Trockenheit überstehen, sondern oft nur wenige Tage oder Wochen. Solche Sorten wären vor allem für Kleinbauern und die Subsistenzwirtschaft nützlich, also damit sich Familien selbst ernähren können. Diese müssten nach einer Trockenheit keine neuen Samen kaufen und aussäen, sondern bräuchten nur auf den nächsten Regen zu warten, damit die scheinbar vertrockneten Pflanzen wieder gedeihen. Außerdem würde mit solchen Sorten die Landwirtschaft in Regionen möglich, wo es für die derzeitigen Ackerpflanzen zu häufig Dürren gibt und wo man nicht bewässern kann. Wiederauferstehende Getreidesorten sollten für alle leistbar sein, postuliert Farrant, darum würde sie ihre Entwicklungen nicht patentieren lassen: "Meine Kollegen in anderen Ländern und ich forschen nicht an solchen Pflanzen, um Geld damit zu machen, sondern um die Menschen besser zu ernähren.“
Vielversprechende Versuche
Am ehesten könnte dies bei einer Zwerghirsesorte namens Eragrostis tef gelingen, die in Äthiopien und Eritrea sehr verbreitet ist. Ihre Samen sind glutenfrei und sehr eiweißreich, werden zu Fladenbrot und Bier verarbeitet sowie ans Vieh verfüttert. Die Hirse ist nahe verwandt mit einer wiederauferstehenden Pflanze namens Eragrostis nindensis. Von dieser "Cousine“ könnte die Zwerghirse dank Farrants Nachhilfe vielleicht recht schnell lernen, mit Dürren zurechtzukommen. Durch konventionelle Züchtung hat Farrant mit Kollegen bereits Hybride aus den beiden hergestellt, doch diese sind leider steril, können sich also nicht weiter fortpflanzen. Mit Kreuzungsversuchen und indem sie die Hybride klonen, versuchen die Forscher nun, aus diesen beiden Linien eine fruchtbare, wiederauferstehende Hirsesorte zu kreieren. Auch Versuche mit Mais hätten vielversprechende Ergebnisse gebracht. Außerdem hat Farrant auf die Wurzelstöcke von verholzten wiederauferstehenden Pflanzen Weinreben gepfropft und will nun testen, ob man so langlebige Weinsorten züchten kann.
Eine andere Eigenschaft macht die speziellen Pflanzen überdies für die Medizin interessant: Sie bilden Substanzen, die Sauerstoffradikale in den Zellen unschädlich machen. Diese greifen bei Menschen das Erbgut an, lösen mitunter Krebs aus und treiben die Alterung voran. Die Blätter von einem wiederauferstehenden Bäumchen werden wegen dieser Antioxidantien bereits in der Kosmetikindustrie und für Tees verwendet. "Diese Pflanzen leben unter sehr widrigen Bedingungen und haben daher ein biochemisches Arsenal entwickelt, um damit zurechtzukommen“, sagt Farrant. Dadurch böten sie einen reichen Fundus nützlicher Stoffe, und es wäre Verschwendung, dies nicht zu nutzen.
Dieser Artikel stammt aus dem profil Nr. 11 vom 13.3.2017. Das aktuelle profil können Sie im Handel oder als E-Paper erwerben.