Maniok gehört zu den wichtigsten Nutzpflanzen weltweit. Die Wurzelknollen mit ihrem hohen Stärkegehalt ernähren Millionen von Menschen. Und auch in der Industrie ist Stärke aus Maniok-Knollen gefragt – zum Beispiel für die Herstellung von Papier, Biokunststoff oder als Lebensmittelzusatz.
In der Regel besteht Maniok-Stärke aus 15% Amylose und 85% Amylopektin. Um die Stärke der Pflanzen industriell nutzen zu können, muss die Amylose über einen energieintensiven Prozess entfernt werden. Interessant wären also Maniok-Pflanzen, deren Stärke weniger Amylose enthält oder am besten gar keine. Das Problem jedoch: Obwohl Maniok im Anbau keine hohen Ansprüche hat und selbst längere Trockenperioden und nährstoffarme Böden toleriert, ist seine Züchtung sehr zeitaufwendig. Neue nützliche Eigenschaften einzukreuzen, dauert oft mehrere Jahre.
Zum Glück gibt es seit einigen Jahren die Genschere CRISPR/Cas9. Mithilfe dieser Technologie haben es die Teams von Simon Bull (ETH Zürich) und Hervé Vanderschuren (Universität Liège) geschafft, die genetische Information von Maniok so zu verändern, dass die Pflanzen amylosefreie Stärke produzieren. Und das, innerhalb weniger Monate statt mehrerer Jahre. Ganz klar, dass die Industrie die verbesserte Stärke bevorzugt.
Die Forscher nutzten CRISPR/Cas9, um die beiden Gene GBSS und PTST, die an der Amylose-Produktion beteiligt sind, zu zerschneiden. Sind diese beiden Gene defekt, kann Maniok keine Amylose mehr herstellen. Um die Genschere in die Pflanzenzellen zu schleusen und am Zielort zu aktivieren, bauten die Biotechnologen zunächst verschiedene Fremdgene in junges Maniok-Gewebe ein. Darunter war auch ein Gen aus der Ackerschmalwand Arabidopsis, das die Maniok-Pflanzen später zum Blühen anregen sollte. Dies war besonders wichtig, da Maniok eigentlich über Stecklinge vermehrt wird und natürlicherweise sehr selten blüht. Bull erklärt: „Ohne Blüten hätten wir keine Kreuzungen durchführen können, um das fremde Genmaterial zu eliminieren“.
Um alle Fremdgene wieder loszuwerden, mussten die Forscher zwei der veränderten Pflanzen kreuzen. Da die Fremdgene bei den Kreuzungspartnern jeweils nur auf einem Chromosom eingebaut waren, Maniok aber jedes Chromosom doppelt besitzt, entstehen bei einer Kreuzung auch Nachkommen ganz ohne Fremdgene. Die gewünschten Mutationen in den Maniok-eigenen Amylose-Genen blieben jedoch erhalten. „Das heißt, dass in der ersten Generation von Nachkommen das von uns gewünschte Merkmal erhalten blieb, die Fremdgene aber restlos ausgekreuzt werden konnten“, betont der Pflanzenwissenschaftler in einer Pressemitteilung.
Bull und sein Team machen mit ihrem erfolgreichen Projekt deutlich, wie die Züchtung von Maniok, aber auch die Pflanzenzüchtung generell, mit dem Werkzeug CRISPR/Cas9 erheblich beschleunigt und vereinfacht werden kann. „Die gewünschte Eigenschaft, dass Maniok nur Amylopektin enthält aber keine Amylose, hat man auch mit normaler Kreuzungszüchtung hinbekommen“, sagt Bull. „Aber dafür brauchte man tausende von Pflanzen und mehrere Jahre, und nicht nur ein paar wenige Pflanzen, die wir innerhalb weniger Monate entwickelt haben.“
Eine riesige Chance möchte man meinen. Nicht nur für die Wissenschaft; auch für die Ernährung der ständig wachsenden Weltbevölkerung sind moderne funktionierende Züchtungsmethoden unverzichtbar.
Dennoch hat der Europäische Gerichtshof im Juli dieses Jahres die Entscheidung getroffen, neue Züchtungsmethoden wie die Erzeugung von gezielten Mutationen mithilfe von CRISPR/Cas9 bei Nutzpflanzen unter die Gentechnikverordnung zu stellen. Somit werden die genetisch veränderten Pflanzen, obwohl sie keine Fremdgene enthalten, mit transgenen Organismen gleichgesetzt und auch gleich behandelt. Die Folge dieses Urteils: aufwendige und teure Zulassungsverfahren, die sich kleine Unternehmen und Universitäten in Europa in Zukunft vermutlich nicht leisten können.
Laut Bull gibt es noch eine Menge Unklarheiten darüber, wie und wo beispielsweise die Empfehlungen des Europäischen Gerichtshofs umgesetzt werden sollen. „Es müssen internationale Vereinbarungen getroffen werden, um den Handel mit Kulturpflanzen weiterhin zu ermöglichen, der ja vermutlich zwischen Ländern mit sehr unterschiedlichen nationalen Richtlinien stattfindet“, sagt Bull und fügt hinzu „Vom Wissens- und Technologie-Fortschritt profitiert die Forschung im Allgemeinen; Gesetze und Strategien werden deshalb von Zeit zu Zeit aktualisiert um diese Neuerungen widerzuspiegeln. Hoffen wir, dass wir die einmalige Gelegenheit, die europäischen Richtlinien für Pflanzenzüchtung und -verbesserung neu auszurichten, nicht verpasst haben.“
Bull will auf jeden Fall an seinem Projekt weiterarbeiten und strebt demnächst Kooperationen mit Wissenschaftlern von der Südhalbkugel an. „Die Züchter dort sollen in der Zukunft die Technologie für ihre individuellen Bedürfnisse direkt vor Ort nutzen“, erklärt er. „Profitieren würden alle Menschen, deren Lebensgrundlage und Ernährung von Maniok abhängt.“ Also Millionen von Menschen.
Eva Glink
Bull S. et al. (2018): Accelerated ex situ breeding of GBSS- and PTST1-edited cassava for modified starch. Science Advances, 4(9):eaat6086