Der europäische "Green Deal"
Welche Lösungen hat die Pflanzenzüchtung für die erwarteten Auswirkungen?
Autor: Prof. i.R. W. Friedt
05.04.2022
Europa will erster klimaneutraler Kontinent werden. Angesichts der Bedrohungen durch Klimawandel und Umweltzerstörung will die EU die Treibhausgasemissionen bis 2030 um wenigstens 55 % gegenüber 1990 verringern.
Grundlage für die anstehenden Veränderungen ist der europäische Green Deal, der primär eine Verringerung von Emissionen verfolgt. Auch die Landwirtschaft ist davon stark betroffen. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass angesichts der Verknappung agrarischer Rohstoffe und Lebensmittel eine Steigerung der Erntemengen notwendig ist.
Welche Auswirkungen hat der Green Deal der EU?
Es wird eine Anpassung des Produktionssystems erfordern: Man wird Pflanzen benötigen, die mit den veränderten Anbaubedingungen zurechtkommen und ein hinreichend hohes Ertragspotenzial besitzen. Dabei ist zu bedenken, dass der Ernteertrag von vielen Faktoren mitbestimmt wird. Deswegen sind Ertragssteigerungen so schwierig.
Im Rahmen des Green Deal wird eine Reduktion von Pflanzenschutzmitteln um 50 % in diesem Jahrzehnt gegenüber 2015 - 2017 sowie eine Ausdehnung der ökologischen Bewirtschaftung auf 25 % der Ackerfläche angestrebt. Das wird den Pflanzenschutz erschweren, zumal der Klimawandel ohnehin ein stärkeres Auftreten von Krankheitserregern erwarten lässt. Eine Minderung der Erntemengen ist zu erwarten.
Einflussgrößen der Ertragsbildung
- Schlüsselgene der Ertragsbildung
- Pflanzenarchitektur und Wuchstyp
- Effiziente Nährstoffaufnahme und -verwertung
- Wassernutzungseffizienz
- Hohe Photosyntheseleistung
- Effektiver Kohlenhydratstoffwechsel
- „Sink-source“-Beziehungen der Speicherorgane
- Länge der Vegetationsperiode und Blühzeit
- Einflüsse der Phytohormone
- Das Wurzelsystem und seine Interaktion mit Symbionten und dem Boden
Durch Pflanzenzüchtung neuen pflanzenbaulichen Herausforderungen begegnen
Weiterentwicklung der Zuchtmethodik
Effektive Sortenzüchtung ist Grundlage für einen erfolgreichen Pflanzenbau. Das zeigt sich gerade am Beispiel Mais, einer ursprünglich tropischen C4-Pflanze (effizientere Photosynthese). Hier hat systematische Hybridzüchtung enorme Ertragssteigerungen ermöglicht. Mittlerweile werden Hybridsorten auch bei Roggen, Gerste und Weizen erfolgreich genutzt.
Neue Züchtungstechnologien wie Hochdurchsatz-Markertechniken für die markergestützte Selektion und die genomische Selektion ermöglichen weitere Effizienzsteigerungen. Die Entschlüsselung der Genomsequenz ermöglicht die effektive Identifikation von Genen bzw. genetischen Netzwerken, auf deren Basis mit Hilfe der neuen Züchtungstechnologien, insbesondere dem Genom-Editing mit Hilfe von CRSPR/Cas, neue Genvarianten generiert werden können, die bspw. Krankheitsresistenz und Ertragsstabilität bedingen (Tabelle 1).
Wegen des sequenzspezifischen Eingriffs treten hierbei (anders als bei der klassischen Mutagenese) weniger unbeabsichtigte Veränderungen auf. Allerdings werden Genom-Editing-Verfahren in der EU bisher als „Gentechnik“ eingeordnet. Von der weiteren rechtlichen Positionierung wird es abhängen, ob neue Züchtungstechnologien auch in der EU genutzt werden können, um aktuellen und kommenden Herausforderungen zu begegnen.
Tabelle 1: Beispiele sequenzspezifischer Genom-Modifikationen per CRSPR/Cas bei Getreide und Mais
Welche Getreidesorten benötigen wir in Zukunft?
Die Getreidezüchtung war in der Vergangenheit sehr erfolgreich: Auswertungen langjähriger Leistungsprüfungen für die Sortenanerkennung belegen einen durchschnittlichen Leistungszuwachs bei Winterweizen von etwa 40 kg/ha/Jahr.
Ferner haben phytopathologische Untersuchungen gezeigt, dass parallel zu dem Ertragsanstieg die Anfälligkeit gegen Krankheiten stark abgenommen hat; neuere Sorten sind mithin ertragsstärker und zugleich resistenter gegen die wichtigsten Pathogene als ältere (Abbildung 1).
Heute werden neue Pflanzenbaukonzepte mit Kulturpflanzen und Sorten benötigt, die resistent gegen wichtige Pathogene und auch Schaderreger (Insekten) sind. Diese Sorten werden auch abiotischen Stressfaktoren wie Hitze und Trockenheit besser standhalten müssen. Hierfür bedarf es einer hinreichenden genetischen Vielfalt für Resistenz- und Toleranzeigenschaften, die ggf. zu erweitern ist. Benötigt werden Sorten, die mit weniger chemischem Pflanzenschutz auskommen und genetische Abwehrmechanismen effizienter nutzen.
Abbildung 1: Zuchtfortschritt bei Winterweizen in Deutschland bzgl. Anfälligkeit gegen die Pathogene Gelbrost, Mehltau, Braunrost und Ährenfusarium nach Zulassungsjahr
In der Praxis wird Widerstandsfähigkeit gegen mehrere Pathogene benötigt; durch klassische Linienzüchtung ist kombinierte Resistenz jedoch nur schwer realisierbar. Hier kommen die neuen Züchtungstechniken ins Spiel: Gen-Editierung ermöglicht eine gezielte Verbesserung der Resistenz gegen ein Pathogen, ohne den Genotyp sonst zu verändern. So ist es bei Brotweizen durch Gen-Editierung mit Hilfe von CRISPR/Cas9 jüngst gelungen, stabile mehltauresistente Pflanzen ohne negative Nicht-Zieleigenschaften zu generieren.
Weitere Beispiele wurden berichtet: So konnten etwa beim Körnerölraps neue Prototypen mit verbesserter Sclerotinia-Resistenz gewonnen werden.
Noch mehr als bisher wird die Sorte so zentrale Komponente des Pflanzenschutzes.
Können neue Sorten trotz reduzierter Düngung hohe Erträge liefern?
Die Ertragsbildung erfordert eine ausreichende Versorgung mit Wasser und Nährstoffen. Künftig werden jedoch Sorten benötigt, die mit weniger (mineralischer) Düngung auskommen, Nährstoffe und Wasser effizienter nutzen und so hinreichend hohe Flächenerträge liefern.
Ein besonderes Augenmerk liegt hier auf der Stickstoffdüngung und Stickstoffnutzungseffizienz (NUE), die u.a. mit der Wurzelarchitektur und-funktion und mit der Aufrechterhaltung intakten Blattgrüns zusammenhängt (Abbildung 2).
Die Forschung an Getreidearten ebenso wie Blattfrüchten (Bsp. Raps) zeigt eine große anatomische und funktionale Variation des Wurzelapparates; zahreiche Studien weisen auf beteiligte Gene hin, die u.a. auch eine markergestützte Selektion ermöglichen.
Abbildung 2: Phänotypische Differenzierung des Wurzelsystems von Sommergerste in Abhängigkeit von dem Gen VRN1
„Neue“ Kulturarten – Optionen für den Pflanzenbau?
Unter der großen Zahl von Pflanzenarten finden sich nicht wenige, die einer Nutzung unmittelbar zugänglich sind, etwa wenig genutzte Leguminosen als Proteinpflanzen oder bisher kaum genutzte Kruziferen als Ölpflanzen. Zu denken ist ferner an synthetische, polyploide Weizenformen aus Kreuzungen diploider Ausgangsformen sowie Hirsearten wie die Sorghum-Hirse als Körner- oder Biomasse-Pflanzen (Foto).
Zu nennen sind auch Blattfrüchte wie die mehrjährige Durchwachsene Silphie für die Biogas-Erzeugung, Flachs und Hanf als Faserpflanzen. Im Interesse einer bodenschonenden Fruchtfolgegestaltung sollte auch einer stärkeren Nutzung von Zwischenfrüchten (bspw. Kruziferen und Leguminosen) unbedingt größere Beachtung geschenkt werden.
Phänotypische Diversität in einem internationalen Sorghum-Sortiment, Gross-Gerau 2010 (Foto: S. Windpassinger)
Fazit und Ausblick
Die Pflanzenzüchtung bietet Lösungen für die Entwicklung neuer krankheitsresistenter Sorten mit einem guten Aneignungs- und Verwertungsvermögen für Wasser und Nährstoffe. Sie schafft damit die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Pflanzenproduktion.
Vor dem Hintergrund des Klimawandels und des Europäischen Green Deal geht es künftig um die Anpassung der Nutzpflanzen an die veränderten Verhältnisse, um eine nachhaltige Agrarproduktion für die verschiedenen Verwendungen auch unter „low-input“ Bedingungen sicherzustellen. Dabei wird es primär um eine Sicherung von Ertrag und Qualität für die Ernährung gehen. Benötigt werden dafür sowohl bewährte als auch „neue“ Pflanzen sowie bewährte und neue Technologien als effektive Instrumente. Weitere Genome – ob von etablierten oder neu eingeführten Pflanzen – müssen analysiert und die Phänotypen beschrieben werden.
Zur Bewältigung dieser Herausforderungen ist eine enge Kooperation zwischen Wissenschaft und Praxis unabdingbar, um praktische Innovationen zu schaffen.
Die vorhandene genetische Vielfalt muss effektiv genutzt, neue pflanzengenetische Diversität erschlossen werden.
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