Agrogentechnik

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Die Grüne Gentechnik oder Agrogentechnik ist die Anwendung gentechnischer Verfahren im Bereich der Züchtung von Pflanzen. Insbesondere bezeichnet der Begriff Verfahren zur Herstellung von gentechnisch veränderten Organismen, in deren Erbgut zusätzliche – in der Regel artfremde – Gene eingeschleust werden. Die Grüne Gentechnik ist somit Bestandteil der Grünen Biotechnologie.

Methoden des Gentransfers

Zur Einschleusung von Genen in Pflanzenerbgut, der sogenannten „Transformation“, existieren verschiedene Methoden, nur drei von ihnen allerdings sind von Bedeutung.

Transformation durch Agrobacterium tumefaciens

Agrobacterium tumefaciens ist ein bodenbürtiges Bakterium, das ein spezielles Plasmid in das pflanzliche Genom integriert. Auf diesem Weg werden bei Pflanzen Gallen am Wurzelhals als Lebensraum und zugleich die Produktion bestimmter Nährstoffe, sogenannter Opine, ausgelöst. Dies macht man sich in der Gentechnik zunutze, indem man das Plasmid, das Tumorbildung und Opinproduktion auslöst, stilllegt und um ein kleineres Plasmid mit Fremdgenen ergänzt, das zuvor in Escherichia coli zusammengesetzt wurde. Anschließend werden Pflanzenstücke mit diesen Bakterienstämmen infiziert, transgene Gewebe ausgesucht, von den Bakterien gereinigt und mittels In vitro-Kultur wieder zu vollständigen Pflanzen herangezogen. ^[1]

Damit Agrobacterium tumefaciens Pflanzenzellen transformieren kann, müssen diese als Folge einer Verletzung phenolische Substanzen aussschütten, die als "Lockstoff" für das Bakterium dienen. Da nur sehr wenige einkeimblättrige Pflanzen dies tun, ist der Einsatz weitgehend auf zweikeimblättrige Pflanzen begrenzt, allerdings konnte durch Zugaben entsprechender Stoffe (Syringon) das Anwendungsgebiet auf einige Einkeimblättrige und sogar Pilze vergrößert werden. Eine weitere Einschränkung ist, dass Agrobacterium tumefaciens sich ausschließlich zur Transformation der Chromosomen des Zellkerns eignet ^[1].

Biolistische Transformation

Die biolistische Transformation ist im Gegensatz dazu eine rein mechanische Methode des Gentransfers. Hier wird DNA auf Gold- oder Wolframpartikel aufgebracht, die anschließend mit Geschwindigkeiten von mehr als 1.300m/s in die Zellen geschossen werden. ^[1]

Da die Partikel sehr klein sind, bleiben Zelle und Zellwand dabei weitgehend unbeschädigt. Weitere Vorteile sind, dass das Verfahren für Zellen jedweder Lebewesen geeignet ist, auch auf die DNA von Mitochondrien und Plastiden angewandt werden kann und dass die mögliche Anzahl der transferierten Gene relativ hoch ist. Problematisch ist allerdings, dass der Gentransfer relativ instabil ist, häufig kommt es nur zu einer sogenannten „transienten Expression“, die eingefügte DNA ist also nur vorübergehend aktiv und verliert sich später wieder, auch kommt es manchmal dazu, dass nur Teile des erzielten Gewebes aus transformierten Zellen bestehen. ^[1]

Protoplastentransformation

Ein dritter möglicher Weg ist die Protoplastentransformation. Hierbei werden die Zellen des zu transformierenden Gewebes zuerst durch Pektinasen vereinzelt und anschließend durch Zellulasen die Zellwände aufgelöst (Protoplastenisolation). So erhält man nur noch durch die Zellmembran zusammengehaltene Protoplasten. ^[1]

Für den eigentlichen Gentransfer wird diesen Protoplasten entweder Polyethylenglykol hinzugefügt oder es erfolgt ein kurzer Stromstoss (Elektroporation), wodurch die Membran durchlässig für die DNA wird. Die Methode ist zwar bei allen Pflanzen anwendbar, allerdings ist es äußerst schwierig, anschließend aus den Protoplasten wieder Pflanzen heranzuziehen. ^[1]

Bisherige Anwendungen

Züchtungsziele durch Gentechnik (Stand: 1998)

Im Mittelpunkt der bisherigen Anwendung der Grünen Gentechnik stehen vier Agrarpflanzen: Raps, Soja, Mais und Baumwolle. Dabei sind es vor allem zwei Anwendungsbereiche, für die die Grüne Gentechnik heute in großem Stil eingesetzt wird:

Herbizidtoleranz

Durch ein zusätzliches Gen werden Pflanzen erzeugt, die insbesondere gegen Totalherbizide tolerant sind. Beim Einsatz dieser Pflanzen können Herbizide eingesetzt werden, die alle Arten von Unkräutern vernichten, der Feldfrucht selbst jedoch nicht schaden. Bei mehr als drei Viertel der weltweit angebauten transgenen Pflanzen handelt es sich um herbizidtolerante Sorten. ^[2]

Schädlingstoleranz

Ein zusätzliches Gen bewirkt, dass die Pflanzen eigenständig Gifte gegen bestimmte Schädlinge erzeugt. Dieses Gen stammt vom Bakterium Bacillus thuringiensis und wird bislang vor allem bei Mais und Baumwolle eingesetzt.

Andere gentechnisch veränderten Organismen wie die Flavr-Savr-Tomate oder der Goldene Reis haben sich bislang nicht in großem Stil durchsetzen können.

Diskussion um die Grüne Gentechnik

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Von Beginn an war die Grüne Gentechnik stark umstritten. Die meisten Umweltschutzorganisationen haben sich sehr früh zu grundsätzlichen Gegnern der Technik erklärt. Seitdem wird die Diskussion sehr polarisiert geführt, so dass es in der öffentlichen Debatte häufig scheint, als stünden sich „Befürworter“ und „Gegner“ kompromisslos gegenüber. Im folgenden sind die wesentlichen Argumente aufgeführt:

Argumente für die Grüne Gentechnik

Die Ziele der Gentechniker unterscheiden sich prinzipiell nicht von denjenigen Jahrtausende alter „traditioneller“ Pflanzenzüchter.

Es geht beiden um eine Verbesserung der Eigenschaften von Pflanzen, um

• höhere Ernteerträge zu erreichen
• Gestalt und Farbe zu verändern, z. B. bei Blumen
• sowie die Verbesserung der Widerstandfähigkeit gegen Schädlinge, Krankheiten und Umweltbelastungen

Die konventionelle Züchtung beruht dabei auf dem Prinzip von Kreuzung und anschließender Selektion. Bei Kreuzungen wird jeweils das gesamte Erbgut der Elternorganismen gemischt. Das Erbgut in den Tochterorganismen lässt sich dabei nicht exakt vorhersagen. Deshalb müssen in den weiteren Generationen die Organismen mit den gewünschten Eigenschaften selektiert werden. Im Gegensatz dazu fügen Gentechniker gezielt ein Gen hinzu, das für eine bestimmte Eigenschaft verantwortlich zu sein scheint. Gentechniker nehmen deshalb für sich in Anspruch ^[3], dass

• ihre Methode gezielter sei und
• sich Eigenschaften züchten lassen, die sich auf konventionellem Weg nicht erreichen lassen (s. Präzisionszucht):
  • Es können völlig neue Inhaltsstoffe angereichert werden, z. B. veränderte Fettsäurezusammensetzung in Ölpflanzen oder Entfernung von Allergenen für gesündere Lebensmittel
  • Man kann die pflanzeneigene Nährstoffversorgung stärken und damit den Düngemittelverbrauch vermindern

Beide Methoden bergen jedoch das Risiko, dass bei einem großflächigen Einsatz veränderter Nutzpflanzen die möglichen negativen Auswirkungen auf das ökologische Gleichgewicht noch nicht hinreichend erforscht sind. Auch eine unkontrollierte Verbreitung von veränderten Organismen und die Übertragung der veränderten Gene auf andere Organismen sowie Allergierisiken bei veränderten Lebensmitteln für den Menschen sind nicht auszuschließen. Beteiligte Wissenschaftler warnen jedoch vor einer generell ablehnenden Haltung gegenüber dieser Technologie. Chancen und Risiken seien für den Einzelfall abzuwägen.^[4]

Kritik an der Grünen Gentechnik

Mögliche Nebenwirkungen

Die der Gentechnik zugrundeliegende Annahme, jeweils ein Gen sei für eine Eigenschaft verantwortlich, gilt heute als überholt. Die meisten Gene in einem Organismus haben mehrere Funktionen, umgekehrt werden die meisten Funktionen durch eine Vielzahl von Genen gesteuert. Die Erkenntnisse der Epigenetik wiederum weisen darauf hin, dass ein Gen nicht einfach nur vorhanden ist oder nicht, sondern durch komplizierte Regulationsmechanismen an- oder abgeschaltet bzw. in seiner Wirkung dosiert werden kann. Verschiedene Gene beeinflussen sich dabei in ihrer Wirkung gegenseitig. Kritiker wenden deshalb ein, dass auch ein zusätzliches Gen weitere unabsehbare Folgen für den jeweiligen Organismus haben kann. So können gentechnische Veränderungen zu einer Veränderung im Primär- und Sekundärstoffwechsel in den Pflanzen führen, was die stoffliche Zusammensetzung der Pflanzen verändern kann. Insbesondere pflanzliche Hilfsstoffe wie Hormone, Spurenelemente und pflanzliche Phenole, auf die der Säugetierorganismus angewiesen ist, weil er sie selbst nicht produzieren kann, können fehlen oder nur in geringeren Konzentrationen in den Pflanzen vorhanden sein. Das kann – langfristig – Konsequenzen für das reibungslose Funktionieren des tierischen bzw. menschlichen Organismus haben. Um die einzelnen möglichen Effekte nachzuweisen oder auszuschließen, bedarf es jedoch sehr aufwendiger Studien, für die meist die Finanzierung fehlt.

Mögliche Gefahren für Ökosysteme

Bei Lebewesen, die sich nicht durch eine längere Evolution gegenseitig zu einem Gleichgewicht entwickelt haben, kommt es durch Eingriffe des Menschen immer wieder zu Katastrophen, auch ohne Gentechnik. Beispiele dafür sind die Killerbienen, die Kaninchenplage, die Folgen des Ballastwassertransports und andere Neozoen. Ein Gentransfer über Artengrenzen hinweg^[5] kommt auch natürlich vor, ist aber ein extrem seltenes Ereignis und dann ist es wiederum extrem selten, dass ein solcher Organismus sich fortpflanzt.

Zu diesen schon ohne Gentechnik bestehenden Gefahren kommen weitere: Es besteht die Gefahr der unumkehrbaren Auskreuzung der gentechnisch eingebrachten Eigenschaften (z. B. Herbizidresistenzen) in Wildkräuter ^{[6] [7]} und die Möglichkeit unerwünschter Nebenwirkungen durch absichtlich (z. B. zum Finden der gentechnisch veränderten Organismen während der Entwicklung) oder unabsichtlich mitübertragene Gene. Einige Mitgliedstaaten der EU kritisieren die „ökologische Risikoabschätzung“ des GVO-Anbaus als unzureichend (Andow & Hilbeck 2004), weil z. B. Feldversuche in Übersee und nicht vor Ort zur Risikoabschätzung herangezogen werden.^[8]

Daneben sehen Kritiker eine mögliche Gefahr für die Arten- und Sortenvielfalt, da die Patentierung und der exklusive Vertrieb von Hybridsaatgut sowie gentechnisch manipuliertem Saatgut durch einzelne Hersteller zur Verdrängung anderer Arten führen und Landwirte letztlich abhängig von Saatgut-Herstellern machen könnten. Gentechnisch verändertes Saatgut stelle dabei eine Verschärfung des allgemeinen Problems der Kommerzialisierung der Saatgutproduktion dar. Im Zusammenhang hiermit steht die oft gleichzeitig vorgebrachte Kritik an der Patentgesetzgebung, die sich in den letzten 10 Jahren entscheidend geändert hat (→ Biopiraterie).

Sozioökonomische Gefahren

Dem Argument, Gentechnik zur Bekämpfung des Hungers einzusetzen, wird entgegnet, dass die Kapazitäten zur Nahrungsmittelproduktion schon jetzt ausreichend seien und Hungerkatastrophen andere Ursachen hätten, darunter Missmanagement vor Ort und Verteilungsungerechtigkeiten im Welthandel etwa durch Agrar-Exportsubventionen. Der UN-Sonderberichterstatter für das Recht auf Nahrung Jean Ziegler sagt unter Berufung auf Daten der FAO, dass mit derzeitigen und konventionellen Mitteln bis zu 12 Milliarden Menschen ausreichend ernährt werden könnten. Auch Mangelernährung, etwa in Form von zur Erblindung führendem Vitamin-A-Mangel, wird auf andere Ursachen wie durch unzureichende Hygiene verursachte Durchfallerkrankungen zurückgeführt. Dadurch fehlt dem Körper die Zeit, Beta-Carotin in Vitamin A umzuwandeln und dem Stoffwechsel hinzuzufügen. Zudem ist für diesen Prozess Fett notwendig. Eine gesteigerte Nahrungsproduktion durch den Einsatz der Gentechnik könne an diesen Problemen nur wenig ändern, im Gegenteil würden neue Abhängigkeiten geschaffen, da Gentechnik-Saatgut von den Saatgutunternehmen unter Umständen jährlich neu und zu einem relativ hohen Preis erworben werden muss.

Daneben stehen eine Reihe weitere Argumente im Raum:

• Patentierung: Die Möglichkeit der gewerblichen Nutzung von wissenschaftlichen Erkenntnissen wird durch Patente zum Eigentum einzelner Firmen. Gleichzeitig stellt die Möglichkeit zur Patentierung und damit zur Vermarktung der unter großem finanziellem Aufwand erhaltenen wissenschaftlichen Erkenntnisse ein starkes „Triebmittel” für die Forschung dar.
• Finanzielle Perspektive: Gentechnik gilt als eine der Wirtschaftsbranchen der Zukunft. Es stellt sich die Frage, inwiefern finanzieller Profit dazu verleiten mag, Risiken einzugehen oder diese zu verharmlosen. Um diesem Problem zu begegnen, sind für jede gentechnisch veränderte Pflanze Zulassungsverfahren vorgeschrieben, die Risiken und Nebenwirkungen ausschließen sollen, bevor eine gentechnische Pflanze zur kommerziellen Nutzung im Freiland eingesetzt werden darf. Ob diese Prüfungsverfahren ausreichend sind, wird von Kritikern, angesichts fehlender Langzeitstudien, bezweifelt. Schwellenländer wie China, Indien, Brasilien oder auch Argentinien nutzen jedoch in letzter Zeit verstärkt gentechnisch veränderte Pflanzen, um ihre landwirtschaftliche Entwicklung zu beschleunigen. China und Indien tun dies, im Hinblick auf die mögliche Abhängigkeit von den USA, hauptsächlich mit Eigenentwicklungen.
• Koexistenz von GVO-Landwirten mit konventionell arbeitenden und Biolandwirten: Unzureichende Schutzbestimmungen bergen die Gefahr, dass das Saatgut mit GVOs verunreinigt wird und damit Biobauern und konventionell arbeitenden Bauern die Lebensgrundlage entzogen wird, da ihre Produkte nicht mehr die gesetzlichen Anforderungen erfüllen und somit unverkäuflich werden^[9]
• Abhängigkeit landwirtschaftlicher Betriebe: Hersteller gentechnisch veränderten Saatgutes sind auch die Hersteller von Schädlingsbekämpfungsmitteln. Beide sind aufeinander abgestimmt (siehe z. B. Dokumentarfilm „Von Saatgut und Saatgutmultis“). Diese Spezifität erlaubt, gemäß Herstellerangaben, eine Minimierung der Nebenwirkung dieser Mittel sowie von deren Einsatz. Verwendet ein Bauer derartige Pestizide, kann er in vielen Fällen nur noch das „passende” Saatgut verwenden, da andere Sorten geschädigt oder vernichtet werden würden (siehe z. B. Roundup). Zudem verbieten die Verträge der Saatgutkonzerne in der Regel die Wiederaussaat von Teilen der Ernte – Bauern müssen jedes Jahr aufs Neue Saatgut einkaufen. Dabei verlangt der Saatguthersteller Lizenzgebühren sowohl für die Saat als auch für die Ernteprodukte. Vgl. Terminator-Technologie
• Religiöse/ethische Aspekte: Einige Menschen sehen in der Manipulation des Erbmaterials einen Eingriff in „Gottes Schöpfung“, der den Menschen nicht zustehe. Auch nicht religiöse Menschen sehen darin zum Teil ethische Probleme.

Gentechnik in der Öffentlichkeit

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Der Protest gegen gentechnisch veränderte Pflanzen kommt unter anderem in sogenannten Feldbefreiungen zum Ausdruck, wobei entsprechende Anbaugebiete rechtswidrig von Umweltaktivisten besetzt oder beschädigt werden. Bisweilen treffen solche Aktionen auch völlig Unbeteiligte. So zerstörten zum Beispiel 250 Aktionisten der Organisation mutatoes.org im April 2007 nahe der englischen Stadt Kingston upon Hull einen Acker auf dem ganz normale Bohnen gepflanzt waren in der falschen Überzeugung, dort befände sich ein Freisetzungsversuch mit Kartoffeln. ^[10]

Auf der anderen Seite meiden viele Wissenschaftler, die auf dem Gebiet arbeiten, die öffentliche Auseinandersetzung. Dies gilt insbesondere für privatwirtschaftliche Unternehmen wie Monsanto. Entsprechend werfen Gegner den Forschern Intransparenz vor. So mussten genkritische Organisationen die Veröffentlichung solcher Forschungsergebnisse im Sommer 2005 gerichtlich erzwingen (Fütterungsversuche an Ratten mit gentechnisch manipuliertem Mais). ^[11]

Forschung und Techniken

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Zu den bedeutenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Gentechnik im Agrar-Bereich gehört in Deutschland das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und das Molekularbiologische Zentrum der Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel in Karlsruhe.

Moderne Pflanzenphysiologie beschäftigt sich auch mit den molekularen Vorgängen innerhalb der Pflanzen. War es vor 100 Jahren gerade möglich, die Sauerstoffproduktion von Pflanzen und einige andere globale Parameter zu untersuchen, so kann man heute mit verschiedenen Techniken in das molekulare Geschehen einzelner Zellen hineinsehen. Eine sehr wichtige Rolle wird dabei der Gentechnik beigemessen, da sie es ermöglicht, das Verhalten von Genen in der Pflanze zu beeinflussen. Jede Pflanzenzelle enthält zwischen 20.000 und 60.000 Gene, von denen erst bei einem Bruchteil die Funktion bekannt ist. Selbst bei der bestuntersuchten Pflanze (Arabidopsis thaliana) ist noch mehr als die Hälfte der Gene ohne bekannte Funktion. Um die Funktion zu erkennen, ist es nötig, die Steuerung des Gens zu modifizieren.

So werden Effekte von Genen normalerweise durch einen Vergleich dreier Pflanzenpopulationen aufzuklären versucht. Die erste, unveränderte Population wird als Wildtyp bezeichnet. Eine Population, die als Überexpressoren bezeichnet werden, produziert vermehrt das Genprodukt (meist ein Protein). Dies geschieht meist, in dem das Gen hinter einen viralen Promotor kloniert und in die Pflanze übertragen wird. Virale Promotoren sind auf maximale Effizienz optimiert und werden deshalb für besonders geeignet gehalten, große Mengen RNA zu produzieren. Eine dritte, die so genannte „Knock out”-Population, produziert das Genprodukt in geringerem Maße oder gar nicht mehr. Hierfür gibt es verschiedene Techniken, wie etwa RNAi. Allen Techniken ist gemeinsam, dass sie doppelsträngige RNA produzieren, die der Pflanze den „Befehl“ gibt, dass „normale” Ribonukleinsäure des zu untersuchenden Gens abgebaut wird.

Auch komplizierte Regulationsmechanismen sollen so aufgeklärt werden, indem nicht nur das Genprodukt, sondern auch die gesamten Änderungen innerhalb der Zelle bzw. Pflanze betrachtet werden.

Diese Methoden sollen das klassische Durchmustern von Mutanten um eine viel gezieltere Technik erweitern, mit der es möglich ist, den Effekt von gefundenen „Kandidatengenen” direkt zu untersuchen.

Zusätzlich zu den oben genannten Techniken gehören auch deskriptive Techniken zur Standardausrüstung der gentechnischen Pflanzenforschung. So werden über Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) Gene kloniert, es werden Häufigkeiten von Transkripten (Bauanleitungen für Proteine) mittels quantitativer PCR bestimmt oder mittels so genannter DNA-Chips gleich die meisten Gene einer Pflanze in ihrer Ablesehäufigkeit bestimmt.

In der modernen Grünen Gentechnik ist der Agrobakterium-vermittelte Gentransfer eine wichtige Technik. Bei dieser gentechnischen Methode werden einzelne Erbfaktoren von Zellen eines Organismus in Zellen eines anderen Lebewesens übertragen. Sie wurde unter anderem von Jozef Schell am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung entwickelt.

Die somatische Hybridisierung, eine weitere wichtige Methode, erlaubt es, gewünschte Merkmale verschiedener Elternpflanzen zu kombinieren. Im Vergleich zum Agrobakterium-vermittelten Gentransfer müssen hierbei keine spezifischen Gene identifiziert und isoliert werden. Außerdem wird damit die Einschränkung der Transformation (Gentransfer) überwunden, nur wenige Gene in einen vorgegebenes Erbgut einzuführen zu können. Auch kann bei der Zellfusion die Chromosomenzahl der Zellen multipliziert werden, also die Anzahl der Chromosomensätze (Ploidiegrad) erhöht werden. Dies kann die Ertragsfähigkeit von Pflanzen steigern (Heterosiseffekt). Molekulare Marker oder biochemische Analysen werden genutzt, um aus der somatischen Hybridisierung hervorgegangene Pflanzen zu charakterisieren und zu selektiern.

Forscher, die praktische Gentechnik betreiben, sind zur Einhaltung zahlreicher Sicherheitsvorschriften verpflichtet. Die Gentechnik-Sicherheitsverordnung^[12] regelt in Deutschland die Arbeit mit gentechnisch veränderten Organismen.

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e f} Frank Kempken, Renate Kempken: Gentechnik bei Pflanzen, 3. Auflage, 2006, S. 83-91, ISBN 3-540-33661-3
2. ↑ Hahlbrock, S. 176-178
3. ↑ Hahlbrock, S. 162 ff.
4. ↑ „Kampagnen gegen die Grüne Gentechnik entbehren wissenschaftlicher Grundlage” – Stellungnahme der Union der deutschen Akademien der Wissenschaften
5. ↑ horizontaler und vertikaler Gentransfer, Biosicherheit.de
6. ↑ Britische Wissenschaftler staunen über Superunkraut, www.heise.de
7. ↑ britische Studie über GV-Pflanzen, www.defra.gov.uk
8. ↑ Umwelt und naturschutzrelevante Aspekte beim Anbau von GVOs www.umweltbundesamt.at
9. ↑ Koexistent http://www.umweltbundesamt.at
10. ↑ GM protesters pick wrong field in bid to disrupt potato trial, The Guardian, 25 April 2007
11. ↑ : Unter Verschluss gehaltene Rattenfütterungsstudie mit Monsanto-Gen-Mais MON863 - Monsantos full ratstudy, TOXICOLOGY REPORT SUMMARY, Joan K. Lemen et al., Study Sponsor: Monsanto Company, December 18, 2002
12. ↑ Text der Gentechnik-Sicherheitsverordnung

Literatur

Hahlbrock, Klaus: Kann unsere Erde die Menschen noch ernähren? Frankfurt, 2007. ISBN 978-3-596-17272-6.