Grundlagenvortrag:

Klassische, ökologische und gentechnische Züchtungsmethoden und Ziele –

ein Überblick

Heiko Becker

Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

Grundlagenvortrag & Impulsreferat:

Klassische, ökologische und gentechnische Züchtungsmethoden und Ziele –

ein Überblick

Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

o Was ist Züchtung? Methoden und Ziele

o Klassische Pflanzenzüchtung

o Ökologische Pflanzenzüchtung

o Gentechnik

o Gentechnik und Alternativen

Wir können nicht endlos eine Ja-Nein-Debatte führen, angesichts einer weltweiten Anbaufläche für GMO-Pflanzen von derzeit 120 Millionen Hektar. Ich will aber Wahlfreiheit für Verbraucher und Landwirte sichern.

17. Witzenhäuser Konferenz

„Gegnern und Befürwortern der Gentechnik bieten wir ein Forum, um ihre Thesen und Standpunkte angemessen zu vertreten“

Mein Standpunkt:

Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

Wir können nicht endlos eine Ja-Nein-Debatte führen, angesichts einer weltweiten Anbaufläche für GMO-Pflanzen von derzeit 120 Millionen Hektar. Ich will aber Wahlfreiheit für Verbraucher und Landwirte sichern.

17. Witzenhäuser Konferenz

„Gegnern und Befürwortern der Gentechnik bieten wir ein Forum, um ihre Thesen und Standpunkte angemessen zu vertreten“

Mein Standpunkt:

Gentechnik ist heute ein Teil der modernen Pflanzenzüchtung, deswegen geht es in der Züchtungsforschung nicht um Behinderung oder Befürwortung der Gentechnik, sondern darum, die Risiken und Chancen dieser neuen Technologie wissenschaftlich zu untersuchen.

Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

Wir können nicht endlos eine Ja-Nein-Debatte führen, angesichts einer weltweiten Anbaufläche für GMO-Pflanzen von derzeit 50 Millionen Hektar. Ich will aber Wahlfreiheit für Verbraucher und Landwirte sichern.

Renate Künast, Bundesministerin für Verbraucherschutz, Ernährung, Landwirtschaft, 2002

17. Witzenhäuser Konferenz

„Gegnern und Befürwortern der Gentechnik bieten wir ein Forum, um ihre Thesen und Standpunkte angemessen zu vertreten“

Mein Standpunkt:

Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

1: Teosinte (wild)

2: früher Kulturmais

3: heutiger Mais

Was ist Pflanzenzüchtung?

Ernte eines Maisbauern im Hochland von Zentralmexiko

Pflanzenzüchtung ist die genetische Anpassung von Pflanzen an die Bedürfnisse des Menschen. Es gibt sie, seit es Landwirtschaft gibt.

Erzeugung von Variation in der Züchtung

Seit > 10 000 Jahren Auslese „natürlicher“ Variation

Seit ~ 1800 Kreuzung

Seit ~ 1930 Mutationsauslösung

Seit 1983 Gentechnik

Variation zwischen Sorten: Körner von 20 peruanischen Landsorten

Kulturkartoffel Wildkartoffel Landsorte aus Peru

Markerbse(zuckerreich; Amylose)

Palerbse(zuckerarm, Amylopektin)

Gregor Mendel, 1865:

Versuche über Pflanzenhybriden

Erzeugung von Variation durch Kreuzung

Das deutsche Kartoffelsortiment 1884

Sortengruppe Anzahl Sorten Beispiele

Früh 59 ManhattanPatersons blaue NierenWeisse Danziger

Mittelfrüh 104 American GiantBlassrothe VictoriaZarte Hoheitskartoffel

Spät 67 ThusneldaTriumph PommernsUeberflusskartoffel

Busch 1884, aus Becker 1993

Erzeugung von Variation durch Kreuzung

Veränderung der Wuchshöhe bei Weizen

Fotos: E. Ebmeyer, Lochow-Petkus

Veränderung der Wuchshöhe bei Mais

GELBER BADISCHER LANDMAIS (vor 1953)

GAVOTT (2000)

MUTIN (1980)

Nutzung von Mutationen (Erbse)

Normal

1. Mutation

2. Mutation 1.+2. Mutation

-Fiederblätter -

Nebenblätter

Erzeugung von Variation in der Züchtung

Seit > 10 000 Jahren Auslese „natürlicher“ Variation

Seit ~ 1800 Kreuzung

Seit ~ 1930 Mutationsauslösung

Seit 1983 Gentechnik

Klassische Zuchtmethoden:Klonsorten (ungeschlechtl.Vermehrung, Kartoffel)

Pflanzen sind heterozygot (gemischterbig)

Sorte ist homogen: alle Pflanzen haben (fast) den gleichen Genotyp

Pflanzen sind homozygot (reinerbig)

Sorte ist heterogen: Pflanzen haben unterschiedliche Genotypen

Klassische Zuchtmethoden:Linienmischung (Selbstbefruchter, Gerste, Weizen)

Gerste-Landsorte

Äthiopien

Klassische Zuchtmethoden:Liniensorten (Selbstbefruchter, Gerste, Weizen)

Pflanzen sind homozygot (reinerbig)

Sorte ist homogen: alle Pflanzen haben (fast) den gleichen Genotyp

Klassische Zuchtmethoden:Populationsorten (Fremdbefruchtung, Roggen)

Pflanzen sind heterozygot (gemischterbig)

Sorte ist heterogen: Pflanzen haben unterschiedliche Genotypen

Populationssorte Warum Hybridsorten?

Heterosis

Kreuzung von zwei homozygoten Genotypen Mehrleistung der Hybriden

Oben: Eltern und F1 (Hybridsorte)

Unten: F2 (Nachbau) mit Aufspaltung (Mendel!) und Rückgang der Heterosis

Genetische Struktur verschiedener Sortentypen (nach Schnell 1982)

Het

erog

enitä

t

Heterozygotie

Liniensorten Klonsorten

Populations- sorten

Selbstbefruchter- Landsorten

Ausgangspopulation(heterozygote Pflanzen)

Inzuchtlinien(homozygote Pflanzen)

Testhybriden(Kreuzung der Inzuchtlinien)

Hybridzüchtung bei Fremdbefruchtern

(vereinfacht)

Ausgangspopulation(heterozygote Pflanzen)

Inzuchtlinien(homozygote Pflanzen)

Testhybriden(Kreuzung der Inzuchtlinien)

Hybridsorte(Kreuzung der beiden besten Inzuchtlinien; heterozygote Pflanzen, aber homogene Sorte)

Hybridzüchtung bei Fremdbefruchtern

(vereinfacht)

Genetische Struktur verschiedener Sortentypen (nach Schnell 1982)

Het

erog

enitä

t

Heterozygotie

Liniensorten Klonsorten

Populations- sorten

Selbstbefruchter- Landsorten

Hybridsorten

Bedeutung der Hybridzüchtung (Zugelassene Sorten Deutschland 2007)

Hybrisorten andere Sorten Trend

Zuckerrübe 85 0 Hybriden

Mais 218 1 Hybriden (nur?)

Roggen 14 15 >> Hybriden

Raps 14 42 > Hybriden

Weizen 5 123 Hybriden ???

Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

Was ist „Ökologische Pflanzenzüchtung“?o Saatguterzeugung im ökologischen Landbau

o Sortenprüfung im ökologischen Landbau

o Berücksichtigung spezieller Zuchtziele

o Gesamter Züchtungsprozess im ökologischen Landbau

o Verwendung spezieller ökologischer Zuchtmethoden

Belange des Ökologischen LandbausArtenvielfalt

Zuchtziele

Zuchtmethoden (?)

Saflor

(Färberdistel)

Die Phytophtora-tolerante Freilandtomate

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1965 1975 1985 1995 2005

Anb

auflä

che

[100

0 ha

]

WeizenGersteRoggenTriticaleHafer

Entwicklung der Anbauflächen bei Getreide in Deutschland

0

200

400

600

800

Winter-w eizen

Winter-gerste

Körner-mais

Winter-raps

Zucker-rübe

Acker-bohne

Kos

ten

€/ha

Saatgut Pflanzenschutzmittel Düngung

Variable Produktionskosten (konventionell, 2006)

Spezifische Zuchtzielefür den Ökologischen Landbau

Unkrautunterdrückung

Schädlingsresistenz (Insekten, Schnecken)

Krankheitsresistenz (samenübertragbar)

Nährstoffeffizienz (N, P?, K?)

Qualität?

WeizenflugbrandMehltau

Zuchtmethoden für den Ökologischen Landbau

Keine Gentechnik

Keine Hybridzüchtung ?

Keine Mutationsauslösung?

Keine Zell- und Gewebekultur?

Keine Molekularen Marker?

Zuchtmethoden für den Ökologischen Landbau

Keine Gentechnik

Keine Hybridzüchtung ?

Keine Mutationsauslösung?

Keine Zell- und Gewebekultur?

Keine Molekularen Marker?

Ökologische Pflanzenzüchtung = Verzicht?

Zuchtmethoden für den Ökologischen Landbau

Keine Gentechnik

Keine Hybridzüchtung ?

Keine Mutationsauslösung?

Keine Zell- und Gewebekultur?

Keine Molekularen Marker?

Nur Verzicht auf Methoden?

Oder auch neue Methoden? Regionale Anpassung; „Hofsorten“

„Ährenbeet-Methode“ (Martin Schmidt) 1985

DNA- Techniken:

Marker

Gentechnik

Heilbronn: tatrelevante DNA- Spur gesichert!

Schülerinnen-Mord in Kassel: DNA-Spur vom Täter gefunden

DNA-Analyse: Mörder nach 19 Jahren gefasst

Marker:

Analyse des Genotyps, führt aber zu keinen genetischen Veränderungen

Flaschenhälse in der Kulturpflanzenevolution:

1. Domestikation 2. Übergang zur „Modernen“ Züchtung

Marker können z.B. dazu dienen, den Verlust von möglicherweise interessanten Genen während der Züchtung zu untersuchen

(Tanskley & McCouch 1997)

HCB

Erzeugung von Variation durch Gentechnik

1. Identifizierung eines interessanten Gens (DNA-Sequenz)

2. Isolierung des Gens

3. Herstellung eines Übertragungsvektors

4. Einbau in Pflanze- um pflanzeneigenes Gen zu blockieren- um pflanzeneigenes Gen zu verstärken („Überexpression“)- um neues Gen einzuführen

5. Überprüfung des Effekts (Gewächshaus, Feld)

Was ist ein Promotor ?- eine DNA-Sequenz am Anfang eines Gens (5‘-Ende)

-

diese Sequenz interagiert mit Proteinen (u.a. RNApol

II), die zusammen entscheiden:

- wie stark

ein Gen exprimiert

(transkribiert) wird-

wann

ein Gen exprimiert

wird (Samenkeimung,

Blüte; Samenbildung, Abreife, etc.)- wo

ein Gen exprimiert

wird (Wurzeln, Blätter,Samen, Phloem, etc.)

- man unterscheidet konstitutive und spezifische Promotoren, Beispiele:

CaMV

35S: Konstitutiv = fast überall + immer, wichtig bspw. für Herbizidresistenz

Napin: nur in den Samen, wichtig bspw. für die samenspezi-

fische Veränderung der Ölqualität (Fettsäuren)

HCB

Gentechnik -

Methoden

Gentransfer

direkt indirekt

Gen (DNA)

Agrobakterium

Gen (DNA)

Pflanzliche Zelle

Transgene

Pflanze

Pflanzliche Zelle

Transgene

Pflanze

HCB

Goldpartikel

HCB

Particle gun („Gen-Kanone“)

HCB

Agrobacterium tumefaciens

Agrobakterium

tumefaciens

-

ist

ein

ubiquitär

im

Boden

vorkommendes

gramnegatives, begeißeltes

Bakterium, welches

sich

chemotaktisch

auf

verwundete

Pflanzen

(Wurzeln, etc.) zu

bewegen

kann-

besitzt

ein

großes

Plasmid, das Ti-Plasmid; Ti steht

für

‘Tumor

induzierend’

Das Ti-Plasmid ist

verantwortlich

für

die Eigenschaft, DNA in die Pflanze

zu

transferieren

und für

die Bildung

der

Tumore

HCB

Bakterienchromosom

und

Plasmid

Gentransfer mit Hilfe von Agrobacterium

Reduktion un-erwünschter

Stoffe(Sinapin)

Erhöhung erwünschter

Stoffe(Carotin)

Einführung neuer Stoffe(Resveratrol)

Züchterische Möglichkeitenzur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Reduktion un-erwünschter

Stoffe(Sinapin)

Erhöhung erwünschter

Stoffe(Carotin)

Einführung neuer Stoffe(Resveratrol)

Züchterische Möglichkeitenzur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen

Klassische Methoden Gentechnik

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Reduktion un-erwünschter

Stoffe(Sinapin)

Erhöhung erwünschter

Stoffe(Carotin)

Einführung neuer Stoffe(Resveratrol)

Züchterische Möglichkeitenzur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen

Klassische Methoden Gentechnik

Tilling

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Reduktion un-erwünschter

Stoffe(Sinapin)

Erhöhung erwünschter

Stoffe(Carotin)

Einführung neuer Stoffe(Resveratrol)

Züchterische Möglichkeitenzur Modifizierung von Inhaltsstoffen der Samen

Klassische Methoden Gentechnik

Tilling

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

The Flavr Savr

Tomato

Antisense

for reduced poly-

galacturonase activity

= increased shelf life

II Reduce amount of an existing product

„Functional food“: Phytosterole

senken den Cholesterinspiegel

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

RESVERATROL

STSHS-CoAMalonyl-CoA

Resveratrol-

und Sinapoylbiosyntheseweg

p-Cumarsäure SinapinsäureSGT

Sinapoylglucose

Sinapin

(Stilbensynthase)

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Resveratrol: antioxidant, u.a. anticancerogen

enthalten u.a. in Weintrauben, aber nicht im Raps

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Gentechnik: Herbizidtoleranz (Raps)http://www.agrivision.sk.ca/Archives-PDF/Conferences/Fall_2003/keller_presentation.pdf

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Gentechnik: Insektenresistenz (Bt) gegen Maiszünsler

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

“Golden Rice“

Beta-Carotin

(Provitamin

A)www.indmedplants-kr.org

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

W. Schenkel, Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung TU München

Carotinhaltige

Kartoffeln

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Schädlingsresistenter Mais

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

HCB

Chancen und Risiken der gentechnischen Veränderung von Pflanzen

1944 DNA als Erbsubstanz AVERY u.a.

1953 DNA-Struktur WATSON, CRICK u.a.

1961 Genetischer Code NIRENBERG, MATTHAEI u.a.

1968 Restriktionsendonucleasen ARBER u.a.

1980 RFLP Marker BOTSTEIN u.a.

1984 Transformation von Pflanzen POTRYKUS u.a.

2000 DNA Sequenz von Arabidopsis sehr viele

Gentechnisch veränderte Sorten in der Wertprüfung 1999

Fruchtart Merkmal Anz. Sorten Markteinführung

Mais Insektenresistenz 3 2000

Herbizidtoleranz 3 2001

Winterraps Herbizidtoleranz 12 2000

Sommerraps Laurinsäure 2 2002

Zuckerrübe Herbizidtoleranz 6 2001

DLG-Mitt. 11/1999

0

10

20

30

40

50

6019

92

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

Others/unknownDisease res.Seed qualityHerb. tol/msHerbicide tol.

Transgenic

rapeseed

in Europe

Number

of filed

applications

for

field

testing

of transgenic

rapeseed

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Anbau transgener Pflanzen (weltweit)

0

20

40

60

80

100

120

140

1996 2002 2008

Acr

eage

[Mio

h

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Anbau transgener Pflanzen 2008 (weltweit)

Soja 66 Mio ha (72% der Fläche) Mais 37 (23%) Baumwolle 16 (47%) Raps 6 (21%)

Anbau von transgenem Mais 2008 (Europa)

Spanien 79 300 Tschechien 8 400 Rumänien 7 100 Portugal 4 900 Deutschland 3 200 Polen 3 000 Frankreich 0

www.transgen.de

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Glyphosate-HR

Imidazolinone-HR

Glufosinate-HR

Bromoxynil-HR0

10

2030

40

50

60

7080

90

100

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

Can

ola

area

(%)

Total HR

Year

Herbizidtoleranter Raps in Kanada

2008

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Heiko Becker: Grundlagenvortrag Witzenhausen 2. Dezember 2009

Ungefähre Genomgröße verschiedener Organismen (haploid)

Organismus Anzahl DNA-BasenpaareEscherichia coli Bakterium 4 600 000Arabidopsis thaliana Ackerschmalwand 125 000 000Oryza sativa Reis 560 000 000Zea mays Mais 2 500 000 000 Homo sapiens Mensch 3 000 000 000Hordeum vulgare Gerste 5 000 000 000Triticum aestivum Saatweizen 16 000 000 000

Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist „entschlüsselt“ (?)

Ei riitä, että yksittäiset kirjaimet DNA-sekvenssiä voidaan lukea ja että tiedät geenisekvenssejä. On myös tiedettävä, miten tärkeää on yksittäisiä sanoja (geenejä) on.

Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist „entschlüsselt“ (?)

Ei riitä, että yksittäiset kirjaimet DNA-sekvenssiä voidaan lukea ja että tiedät geenisekvenssejä. On myös tiedettävä, miten tärkeää on yksittäisiä sanoja (geenejä) on.

Es reicht nicht aus, dass man die einzelnen Buchstaben der DNA-Sequenz lesen kann, und dass man die Gensequenzen kennt. Man muss auch wissen, welche Bedeutung die einzelnen Worte (=Gene) haben.

Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist „entschlüsselt“ (?)

Ei riitä, että yksittäiset kirjaimet DNA-sekvenssiä voidaan lukea ja että tiedät geenisekvenssejä. On myös tiedettävä, miten tärkeää on yksittäisiä sanoja (geenejä) on.

Es reicht nicht aus, dass man die einzelnen Buchstaben der DNA-Sequenz lesen kann, und dass man die Gensequenzen kennt. Man muss auch wissen, welche Bedeutung die einzelnen Worte (=Gene) haben.

Das Genom von Arabidopsis, Reis, Mais usw. ist „entschlüsselt“ (?)

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

•

hoher Anteil an Anthocyan

•

40 % mehr Beta-carotin

•

süßer im Geschmack

•

keine Genmanipulation

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

•

hoher Anteil an Anthocyan

•

40 % mehr Betakarotin

•

süßer im Geschmack

•

keine Genmanipulation

„So entstand die BioBetaSweet™-Karotte, bei der es sich nicht um eine Neuzüchtung, sondern um eine Kreuzung einer alten schwarzen Karottensorte mit der uns bekannten orangefarbenen handelt“

Keine Genmanipulation = keine Neuzüchtung ???

Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Google:

Risiko Gentechnik 390 000 Hinweise

Google:

Risiko Gentechnik 390 000 Hinweise

Risiko Handy 1 300 000 Hinweise

Vielfalt statt Einfalt:

Klassische Pflanzenzüchtung

Ökologische Pflanzenzüchtung

Gentechnik

Vielfalt statt Einfalt:

Klassische Pflanzenzüchtung

Ökologische Pflanzenzüchtung

Gentechnik

Danke fürs Zuhören