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Stresstoleranz von Moos auf Mais und Co. übertragen?

Längst ist das kleine Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens) in die Riege der Modellorganismen aufgestiegen. Seit 2007 liegt die Genomsequenz vor. Und vergleichende Analysen mit anderen Pflanzenarten zeigen, warum Verwandte des Mooses vor rund 500 Millionen Jahren das Land besiedeln konnten: Eine Reihe von Abwehrmechanismen gegen Austrocknung und andere Stressfaktoren machten aus ihnen echte Überlebenskünstler. Prof. Dr. Ralf Reski, Lehrstuhlinhaber für Pflanzenbiotechnologie an der Universität Freiburg, hat die Karriere des kleinen Blasenmützenmooses in den Life Sciences maßgeblich mitgestaltet. Im Interview mit BIOPRO erklärt er zum Beispiel, was landwirtschaftliche Nutzpflanzen von ihren „ursprünglicheren“ Verwandten lernen können.

Herr Prof. Reski, was macht Pflanzen Stress und welche Auswirkungen hat das auf die Landwirtschaft, auch im Hinblick auf den Klimawandel?

Prof. Dr. Ralf Reski im Labor © Thomas Kunz (Universität Freiburg)

Reski: Man unterscheidet zwischen biotischem und abiotischem Stress. Biotischer Stress ist alles, was lebt und der Pflanze Schaden zufügt, wie etwa Kartoffelkäfer, Pilze oder Bakterien. Abiotischer Stress sind im weitesten Sinne ungünstige Wachstumsbedingungen, also zu kalt, zu warm, zu salzig, zu viel UV-Strahlung, oder zu viel Schwermetalle. Und zumindest die ersten drei abiotischen Stressfaktoren kommen mit dem Klimawandel vermehrt auf uns zu. Für die Landwirtschaft ist das bedeutend, da schätzungsweise zwanzig Prozent der Ernte durch abiotischen Stress verloren gehen, an den sich die Pflanzen nicht genügend anpassen können. Wenn man also an dieser Schraube drehen würde, könnte man eine hohe Ertragsteigerung rausholen. Das wäre nicht nur aktuell am Horn von Afrika sondern ganz allgemein wichtig für die wachsende Weltbevölkerung. Durch Zersiedlung und Wüstenbildung werden die Anbauflächen immer kleiner. Und zusätzlich werden die Böden durch Bewässerung und Düngung salziger. Also muss der Ertrag pro Hektar gesteigert werden.

Wie wirkt sich zum Beispiel Salzstress auf eine Pflanze aus?

Reski: Salzstress wird in erster Linie an den Wurzeln spürbar, die die Interaktion mit dem Boden vermitteln und dort Nährstoffe aufnehmen. In diesem Bereich wird durch hohe Salzkonzentrationen das physiologische Gleichgewicht gestört, die Pflanze nimmt weniger Nährstoffe auf, wächst langsamer und verkümmert. Zudem wirkt Salz sich auch auf die einzelnen Zellen osmotisch aus, entwässert sie also. Der Mangel an intrazellulärem Wasser führt dazu, dass Proteine in ihrer Struktur zerstört werden. Dadurch kommen wichtige Lebensprozesse zum Erliegen.

Welche Reaktionen leitet eine Pflanze bei Salzstress ein?

Das Kleine Blasenmützenmoos Pyscomitrella patens ist in vielerlei Hinsicht ein hervorragender Modellorganismus im Labor, auch für die Stressforschung. © Sigrid Gombert

Reski: Das zeigt wieder, warum Moos für so eine Frage interessant sein kann. Im Gegensatz zu Blütenpflanzen hat Moos einen aktiven Transportmechanismus für Salz. Es besitzt ein Protein, das wie eine Pumpe funktioniert und Salz aktiv aus der Zelle herausschafft. Zurzeit wird in Australien versucht, das Gen für diese Pumpe auf Getreidepflanzen zu übertragen. Aber es gibt noch andere Abwehrmechanismen. Zum Beispiel bei Trockenstress, der letztlich ein osmotischer Stress ist wie die Übersalzung. Da wirken Chaperone, also Proteine, die andere Proteine in ihrer richtigen Struktur halten. Oder Moleküle, wie die Aminosäure Prolin, die sowohl im Moos als auch in Blütenpflanzen bei Trockenstress bis zu einem gewissen Maße fehlendes intrazelluläres Wasser ersetzen können. Prolin dockt an Proteine an und hält sie damit in ihrer richtigen Faltung und damit Aktivität. Im Extremfall, wenn also der abiotische Stress zu hoch wird, versucht die Pflanze, ihr Entwicklungsprogramm von Wachstum auf Vermehrung zu schalten. Man kennt das zum Beispiel als Stress- oder Notblüte bei Obstbäumen. Dieses Umschalten macht biologisch Sinn, weil Pflanzen, wenn die Stressbelastung vor Ort so hoch wird, dass ein tödlicher Ausgang droht, versuchen, Samen zu produzieren, die ungünstige Bedingungen überdauern können. Zudem kann die Neukombination des Erbmaterials bei der Samenbildung dazu führen, dass einer der Nachkommen besser an den Umweltstress angepasst ist.

Das bedeutet, dass nicht nur jede einzelne Zelle für sich auf Stress reagiert, sondern dass es auch eine Stress-Kommunikation zwischen Zellen geben muss, vielleicht über Hormone…

Reski: Genau. Ein ganz prominentes Stresshormon ist Abscisinsäure oder ABA. ABA vermittelt verschiedene Stressarten und führt eigentlich immer zum selben genetischen Programm. Meistens ist das wie gesagt das Umschalten vom vegetativen in den generativen Zyklus. Und auch hier ist das Moos interessant: wenn die Pflanzen besonders großen Stress erfahren, versuchen sie, geschlechtliche Sporen zu bilden, die lange überdauern können. Aber wenn die Moospflanze jung ist und das Entwicklungsprogramm nicht so schnell durchlaufen kann, dann leitet ABA eine Umprogrammierung einzelner vegetativer Zellen ein. Diese Zellen, die lang gestreckt sind und normalerweise Photosynthese machen, runden sich unter ABA-Einfluss ab und bilden eine dicke Zellwand. Umliegende Zellen sterben über den Mechanismus der Apoptose ab. Es entstehen vegetative Dauersporen, die ungünstige Umweltbedingungen überdauern können. ABA ist übrigens das schnellste Signal, das wir bei der Moosentwicklung kennen. Es löst innerhalb von wenigen Minuten eine zelluläre Antwort aus. So werden Transkriptionsfaktoren gebildet, die wiederum die Gene anderer Proteine regulieren und damit eine ganze Kaskade anschalten, die letztlich zum Umprogrammieren führt.

Sie haben erwähnt, dass man zurzeit versucht, Stresstoleranzgene auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen zu übertragen. Warum ist das kleine Blasenmützenmoos so wertvoll für die Pflanzenbiotechnologie?

Das Kleine Blasenmützenmoos ist sehr wertvoll für die Pflanzenbiotechnologie, und das könnte in Zukunft auch für die Welternähungswirtschaft wichtig werden. © Sigrid Gombert

Reski: Zum einen nutzen wir das Moos, um Gene, Mechanismen oder Methoden zu verstehen, mit denen man im Prinzip auch Nutzpflanzen gentechnisch verändern kann. Monsanto und BASF stellen zum Beispiel zurzeit einen Mais her, der unter Trockenheit die berühmten zwanzig Prozent mehr Ertrag bringen soll. Dieser Mais ist in den USA in Erprobung und kommt dann mit Sicherheit auch nach Europa. In einem Projekt mit der BASF haben wir vor Jahren bestimmte Moosgene identifiziert, wie etwa Gene für Stresstoleranz oder für die Produktion von vielfach ungesättigten Fettsäuren, die andere Pflanzen nicht haben. Einige dieser Gene wurden von BASF bereits in Nutzpflanzen transferiert. Auf der anderen Seite kann man in Moosen auch Proteine herstellen, die für den Menschen direkt wichtig sind, zum Beispiel therapeutische Antikörper. Moose kann man anders als Blütenpflanzen in Bioreaktoren kultivieren, unter kontrollierten und sterilen Bedingungen, die für die Medikamentenproduktion essentiell sind. Was aber Physcomitrella von anderen Pflanzen besonders unterscheidet, ist die Möglichkeit des so genannten Gen-Targetings. Dabei werden mithilfe von Homologer Rekombination Gene gezielt ausgeschaltet oder verändert. In der Medizin nutzt man mit ähnlicher Technologie hergestellte Knockout-Mäuse. Um eine Knockout-Maus zu bekommen, braucht es etwa anderthalb Jahre. Für die Erstellung von Knockout-Moosen brauchen wir nur acht Wochen.

Pflanzenbiotechnologie ist in Deutschland auf politischer Ebene nicht akzeptiert. Wie schätzen Sie die Situation ein: Muss sich das irgendwann ändern?

Reski: Wir Europäer leben im Überfluss. Deswegen ist für mich die Frage, ob wir gentechnisch veränderte Nutzpflanzen wollen, oder nicht, eine Luxusdiskussion. In Ländern, in denen Hunger herrscht, sind Biotechpflanzen eine Überlebensnotwendigkeit. Deshalb investiert zum Beispiel China Hunderte Millionen Dollar in Pflanzenbiotechnologie. Für uns in Europa gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder wir akzeptieren Biotechpflanzen und machen hier mit unserer eigenen Forschung weiter. Oder wir akzeptieren es weiterhin nicht und werden dann immer mehr Nahrungsmittel importieren. Schon jetzt sind weltweit 80 Prozent der produzierten Soja gentechnisch verändert. Innovationspolitisch hat das eine ähnliche Dimension wie bei der gentechnischen Herstellung von Proteinen. Das Patent zur Herstellung von humanem Insulin in Bakterien gehörte ursprünglich Hoechst. Die wollten von der Aufreinigung des Insulins aus Schlachthausabfällen wegkommen und in Frankfurt eine Produktionsanlage für humanes Insulin errichten. Der damalige hessische Umweltminister Joschka Fischer hat das jahrelang verhindert. Irgendwann hat Hoechst entnervt aufgegeben und das Patent ins Ausland verkauft. Nach dieser Erfahrung hat lange Zeit keine deutsche Firma mehr einen vergleichbaren Antrag gestellt. Heute benutzen alle Diabetiker gentechnisch hergestelltes Insulin – nur wird es nicht von deutschen Firmen produziert. Wenn man den dramatischen Niedergang der deutschen Pharmaindustrie – wir waren ja mal die Apotheke der Welt - an einem einzigen Ereignis festmachen will, dann war es sicher diese Verweigerungshaltung der damaligen hessischen Landesregierung.

Das wird bei der deutschen Landwirtschaft genauso sein, wenn die politische Akzeptanz für Pflanzenbiotechnologie nicht steigt. Dabei passen Grüne Biotechnologie und Ökologie perfekt zusammen: Der Kaiserstuhl zum Beispiel ist bis zur Halskrause mit Kupfer belastet. Das liegt daran, dass die Weinpflanzen von Pilzen angegriffen werden und die Weinbauern keine andere Möglichkeit haben, als Fungizide oder Kupfersulfat-Lösungen zu spritzen. Wenn wir die Widerstandsfähigkeit gegen Pilze durch Gentechnik erhöhen würden, hätten wird das Problem nicht. Ähnliches gilt für den gefürchteten Maiswurzelbohrer, der sich gerade in Deutschland ausbreitet. An das 2008 durch die chemische Imprägnierung der Maiskörner ausgelöste Bienensterben hier im Rheintal können sich sicher noch manche erinnern. Letztlich ist auch dieses Ereignis ein Preis, den wir zahlen für die Verweigerungshaltung der Politik gegenüber Grüner Biotechnologie. Ein anderer sind die milliardenschweren EU-Subventionen für die Landwirtschaft.

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