Neuer gentechnisch veränderter Mais produziert bis zu 10% mehr als ähnliche Sorten

Befürworter der Gentechnik versprechen seit langem, dass sie helfen wird, den wachsenden Bedarf der Welt an Nahrungsmitteln zu decken. Aber trotz der Schaffung vieler gentechnisch veränderter (GV) schädlings- und herbizidresistenter Pflanzen, hatten Wissenschaftler bisher nicht viel Erfolg mit der Steigerung des Pflanzenwachstums. Jetzt haben Forscher zum ersten Mal gezeigt, dass sie die Maiserträge zuverlässig um bis zu 10 % steigern können, indem sie ein Gen verändern, das das Pflanzenwachstum erhöht – unabhängig davon, ob die Wachstumsbedingungen schlecht oder optimal sind.

„Es ist unglaublich“, sagt Kan Wang, ein Molekularbiologe an der Iowa State University in Ames, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. Abgesehen von der Steigerung der Maisernte, sagt sie, sollten die neuen Modifikationen andere Forscher bei der Suche nach höheren Erträgen bei anderen Nutzpflanzen inspirieren.

Die weltweit am häufigsten angebauten gentechnisch veränderten Nutzpflanzen, einschließlich Sojabohnen, Mais und Baumwolle, wurden mit ein paar relativ einfachen genetischen Veränderungen geschaffen. Durch das Hinzufügen eines einzelnen Gens aus Bakterien zu bestimmten Pflanzensorten gaben Wissenschaftler ihnen zum Beispiel die Fähigkeit, ein Protein herzustellen, das viele Arten von Insekten tötet. Eine andere einfache genetische Manipulation führt zu Pflanzen, die Glyphosat oder anderen Herbiziden widerstehen; ein Vorteil ist, dass Landwirte Unkraut vernichten können, ohne den Boden zu erodieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass Landwirte Unkraut bekämpfen können, ohne den Boden zu zerstören. Aber es war viel schwieriger, Pflanzen zu entwickeln, die auch unter guten Bedingungen mehr Getreide liefern, da die Genetik des Pflanzenwachstums sehr komplex ist.

Ab dem Jahr 2000 begannen Unternehmen in der ganzen Welt, ernsthaft nach einzelnen Genen zu suchen, die den Ertrag steigern könnten. Nur wenige identifizierte Gene haben sich als vielversprechend erwiesen, und viele Unternehmen haben das Screening nach Genen, die mit dem Ernteertrag in Verbindung stehen, aufgrund der geringen Erfolgsrate reduziert oder eingestellt.

Die Forscher von Corteva Agriscience, einem Chemie- und Saatgutunternehmen mit Sitz in Wilmington, Delaware, beschlossen jedoch, nach Genen zu suchen, die wie Hauptschalter für Wachstum und Ertrag funktionieren. Sie wählten MADS-Box-Gene aus, eine Gruppe, die in vielen Pflanzen vorkommt, und entschieden sich für eines (zmm28), das sie in Maispflanzen verändern wollten. Die Herausforderung bei der Arbeit mit Genen, die die Entwicklung regulieren, besteht darin, sicherzustellen, dass sie in der richtigen Menge, zur richtigen Zeit und im richtigen Gewebetyp aktiviert werden. „Wenn die Gene zu aktiv sind, ist es sehr leicht, die Pflanzen durcheinander zu bringen“, sagt Jeff Habben, ein Pflanzenphysiologe bei Corteva, der die Forschung mit geleitet hat.

Die Gruppe wollte zmm28 mit einem neuen Promotor fusionieren, einem DNA-Abschnitt, der kontrolliert, wann das Gen aktiviert wird. Nachdem sie ein Dutzend ausprobiert hatten, fanden sie einen, der zuverlässig funktionierte. Normalerweise schaltet sich zmm28 ein, wenn die Maispflanzen zu blühen beginnen. Der hinzugefügte Promotor schaltete zmm28 früher ein, als es auf natürliche Weise geschieht, und verstärkte die positiven Effekte des Gens auch noch nach der Blüte. „Wenn man das Gen härter und länger arbeiten lässt, kann man die Pflanze leistungsfähiger machen“, sagt Wang.

Die Forscher testeten die Leistung des verbesserten Gens in 48 kommerziellen Maissorten, sogenannten Hybriden, die üblicherweise als Viehfutter verwendet werden. In Feldversuchen in den Maisanbaugebieten der USA zwischen 2014 und 2017 fanden sie heraus, dass die gentechnisch veränderten Hybriden typischerweise 3 bis 5 % mehr Getreide als Kontrollpflanzen lieferten. Einige lieferten 8 bis 10 % mehr, berichtet das Team diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Der Vorteil hielt unabhängig davon an, wie gut oder schlecht die Anbaubedingungen waren. „Dies ist eines der besten Beispiele dafür, dass Gentechnik für den Ertrag in einer Feldumgebung tatsächlich überzeugend funktioniert“, sagt Matthew Paul, ein Pflanzenbauwissenschaftler bei Rothamsted Research in Harpenden, U.K.

Das erhöhte Wachstum ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen. Erstens haben die gentechnisch veränderten Pflanzen etwas größere Blätter, die 8 bis 9 % besser in der Lage sind, Sonnenlicht in Zucker umzuwandeln. „Diese Steigerung ist wirklich eine große Sache“, sagt Jingrui Wu, ein Pflanzenphysiologe bei Corteva, denn die Photosynthese war bisher nur schwer durch Gentechnik zu verbessern. Die Pflanzen sind auch 16 bis 18 Prozent effizienter bei der Nutzung von Stickstoff, einem wichtigen Bodennährstoff – eine weitere Eigenschaft, die für Pflanzenzüchter aufgrund der komplexen Genetik schwer zu manipulieren war.

„Das sieht aus kommerzieller Sicht sehr vielversprechend aus“, sagt Dirk Inzé, Molekularbiologe am VIB, einem Forschungsinstitut in Flandern, Belgien. Corteva hat bereits beim US-Landwirtschaftsministerium (USDA) die Zulassung für neue, ertragreichere Hybriden beantragt. (Obwohl zmm28 und sein Promotor natürlich in Mais vorkommen, wurden sie mit einer Technik gepaart, die das USDA als Biotechnologie reguliert.)

Habben schätzt, dass es 6 bis 10 Jahre dauern wird, um eine formelle Zulassung in Ländern auf der ganzen Welt zu erhalten. Es bestehe eine „gute Chance“, dass verwandte regulatorische Gene den Ertrag in anderen Getreidesorten steigern könnten, sagt Inzé. Die groß angelegte Felddemonstration in Mais „bestärkt uns in unserer Überzeugung, dass der intrinsische Ertrag verbessert werden kann, wenn wir es geschickt anstellen“, sagt Wang. „Das wird den Leuten in der Tat Inspiration geben.“