Gentechnik 07.04.2000, 17:25 Uhr

Transgene Pflanze lernt, sich selbst zu düngen

Weizen, Mais oder Kartoffeln, die sich selbst düngen und vor Schädlingen schützen, sind keine Utopie mehr. Gentechniker arbeiten an transgenen Nutzpflanzen, die mit weniger Kunstdünger und Pestiziden auskommen.

Stickstoff (N) ist ein wichtiger Nährstoff im Kunstdünger. Der globale N-Mineraldünger-Verbrauch wuchs von 0,4 Mio. t im Jahr 1905 auf geschätzte 140 Mio. t bis 200 Mio. t in diesem Jahr. Rund die Hälfte der Kosten beim Anbau von Kulturpflanzen verschlingt Kunstdünger, dessen Produktion zudem reichlich fossile Energieressourcen verbraucht.
Auf der anderen Seite steht das unerschöpfliche „Gratis-Angebot“ der Atmosphäre. Das Problem: Blütenpflanzen können Luftstickstoff nur verwerten, nachdem er von Bodenbakterien in eine wasserlösliche Form überführt worden ist. Solche Bakterien besiedeln zwar die Wurzeln fast aller Pflanzenarten, doch diese N-Versorgung ist für die auf hohen Ertrag gezüchteten Kulturpflanzen nicht effektiv genug.
Dr. Dirk Becker vom Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Uni Würzburg möchte mit gentechnischen Methoden bei der bakteriellen Stickstoff-Versorgung von Kulturpflanzen nachhelfen. „Ich will herausfinden, in welchem Maße Kulturpflanzen von bakteriellem Stickstoff profitieren“, erläutert er.
Becker untersucht die Stoffflüsse zwischen den Wurzelzellen von Tomaten und Ackerschmalwand und N-fixierenden Bodenbakterien. Ihn interessiert ein bestimmtes Phänomen: Einen Teil des fixierten Stickstoffs verlieren die Bakterien nämlich wieder als Ammoniak. Um diesen Verlust auszugleichen, wandeln die Bakterienzellen NH3 wieder in Ammonium (NH4) um. Das geschieht in den Zellmembranen, die über spezielle Proteine, so genannte Ammonium-Transporter, verfügen. Auch die Wurzelzellen der Pflanze besitzen solche molekularen Pumpen, die Ammonium in die Zelle transportieren. Dies bedeutet, dass Bakterien und Pflanzen um den verfügbaren Stickstoff konkurrieren. Dieses Konkurrenz-Verhältnis will Becker zugunsten der Pflanze verschieben. Er manipulierte bei Bakterien und deren Wirtspflanzen die Expression jener Gene, die die Synthese der Transportproteine codieren.
Jedes Gen besteht aus zwei Teilen – dem Strukturgen, das die Informationen für die Synthese eines Proteins trägt, und dem Kontrollgen, dem Promotor. Der Promotor ist vergleichbar mit einem Schalter, der auf „Ein“ oder „Aus“ gestellt werden kann. Becker beimpft die Wurzeln seiner Modellpflanzen mit gentechnisch veränderten Bakterien, deren Schalter für den Bau von Ammonium-Transportern durch die Genmanipulation auf „Aus“ gestellt wurde. Das heißt, diese Zellen können den entwichenen Ammoniak nicht zurückholen, der damit für die Pflanzen verfügbar bleibt.
Dieses üppige N-Angebot aktiviert bei den Pflanzen wiederum jene Gene, die die Ammonium-Transporter codieren, um so möglichst viel Stickstoff in ihre Zellen zu pumpen. „Es ist eine komplexe Signalkette mit Rückkopplungen zu verschiedenen Genen, über die wir noch wenig wissen“, so Becker. Er ist jedoch überzeugt, dass sich eine optimierte bakterielle Stickstoff-Versorgung bei vielen wirtschaftlich wichtigen Kulturpflanzen gentechnisch auf diese Weise forcieren lässt. Künftig ließen sich so erhebliche Mengen an N-Dünger einsparen. Dies käme dem Budget vieler Landwirte zugute und würde die Umwelt entlasten: N-Dünger hinterlassen Nitrat im Grundwasser und in Nahrungsmitteln, und eutrophieren Flüsse, Seen und Meere.
Neben Kunstdünger bilden auch Pestizide für den Menschen gesundheitsschädliche Rückstände und dezimieren zudem die natürliche Artenvielfalt. An einer umweltverträglichen Alternative arbeitet eine Projektgruppe am Oberschleißheimer Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit (GSF): „Wir wollen transgene Nutzpflanzen mit starker natürlicher Abwehr gegen Viren, Bakterien und Pilze entwickeln“, erläutert Prof. Heinrich Sandermann, Leiter des GSF-Instituts für Biochemische Pflanzenpathologie. Denn viele jener Gene, die bei Wildpflanzen das Immunsystem programmieren, verkümmern oder gehen bei der herkömmlichen Züchtung zu Hochertragssorten ganz verloren.

Forscher wollen Immunabwehr wieder aktivieren

Um die verloren gegangenen Gene, die für die natürliche Immunabwehr zuständig waren, wieder zu aktivieren, verfolgt die Arbeitsgruppe zwei Strategien: zum einen die erneute Expression solcher noch existierender, aber inaktiver Gene, zum anderen den Transfer entsprechender Gensequenzen, die in wenigen Nutzpflanzen noch vorhanden sind. So besitzt beispielsweise die Gerste ein Gen, das in der Zelle die Synthese von Oxalat-Oxidase programmiert – ein Enzym, das wiederum ein genetisch programmiertes Abwehrprogramm und die Produktion toxischer Sauerstoffradikale einleitet. Auf diese Weise schützt sich die Gerstenpflanze vor Mehltaupilzen.
Rückt ein Krankheitserreger an, wehren sich Pflanzen mit reaktiven Sauerstoffverbindungen wie Wasserstoffperoxid oder Stickoxid. Derzeit arbeiten die Forscher mit transgenen “Tabakpflanzen, die durch ein eingeschleustes Gerstengen eine größere Mengen an Oxalat-Oxidase produzieren und prüfen deren Resistenz gegen den Tabakmosaikvirus. Ziel ist es, die dafür nötigen Gersten-Gene in verschiedene Nutzpflanzen zu transferieren, um so deren natürliche Schutzfunktionen gegen mikrobielle Schädlinge zurückzugewinnen. Die Pflanze könnte dann wieder selbst einen plötzlichen Befall bewältigen, und würde zudem immun gegen bestimmte Erkrankungen. Gerade in Monokulturen, die besonders anfällig für spezifische Erreger sind, „ließen sich Pestizide einsparen, bei manchen Pflanzensorten könnte ganz darauf verzichtet werden“, so Sandermann. Voraussichtlich in fünf Jahren werde Saatgut solcher transgenen Nutzpflanzen verfügbar sein, um es in Testparzellen freizusetzen und auf seine Tauglichkeit für die Landwirtschaft zu prüfen. B. JUNGHANSS
Mineraldünger ist in der Landwirtschaft Garant für hohe Erträge. Pro Jahr werden weltweit rund 200 Mio. t Stickstoffdünger ausgebracht.
Der Würzburger Molekularbiologe Dirk Becker will mit gentechnischen Methoden die Verfügbarkeit von Luftstickstoff für Pflanzen steigern und untersucht dazu die Stoffflüsse zwischen den Wurzelzellen von Tomaten und Ackerschmalwand und Bodenbakterien.

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