Interaktive Ausstellung
Genome Editing zum Anklicken
Auf der BiT-Plaza an unserem Hauptstandort in Einbeck ist aktuell unsere Ausstellung zum Genome Editing aufgebaut. Für alle Kolleginnen und Kollegen außerhalb Einbecks und für alle, die noch einmal Infos aus der Ausstellung nachlesen möchten, finden hier eine interaktive Variante.
Aktuelle Herausforderungen in der Landwirtschaft:
- Das gesellschaftliche Bestreben, den Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln zu reduzieren
- Die zunehmende Verbreitung von Pflanzenkrankheiten und Schädlingen aufgrund klimatischer Veränderungen
- Eine wachsende Weltbevölkerung
- Zunehmende Degradation von Ackerland
- Ziele zur Reduzierung von CO₂-Emmissionen
- Verbraucherwunsch nach verbesserten Nährstoffprofilen in Lebensmitteln
- Gesellschaftliche Forderung nach mehr biologischer Landwirtschaft
Die klimatischen Veränderungen und die gesellschaftlichen Anforderungen bedeuten erhebliche zusätzliche Anstrengungen für die Landwirtschaft. Züchter benötigen daher viele verschiedene Methoden, um Lösungen für die Aufrechterhaltung der Nahrungsmittelversorgung zu finden. Neue Technologien wie Genome Editing sind daher wichtig, um schnell auf neue Herausforderungen reagieren zu können.
Zur Bewältigung dieser Herausforderungen werden Sorten benötigt, die hohe Erträge erzielen, weniger Ressourcen benötigen, an regionale Umweltbedingungen (Klima, Boden, Pflanzenkrankheiten) angepasst sind und verschiedene Verbraucheranforderungen erfüllen.
Um mit den landwirtschaftlichen Anforderungen Schritt halten zu können, sind wir auf technologische Innovationen wie Genome Editing angewiesen.
Genome Editing bietet neue Chancen für eine nachhaltige Landwirtschaft.
Genome Editing kann einen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft leisten. Mit Hilfe der Methode können wir die Pflanzenzüchtung beschleunigen und nützliche Pflanzeneigenschaften schneller entwickeln.
Genome Editing kann dazu beitragen:
- Den Ertrag und die Ertragsstabilität zu verbessern
- Ressourcen wie Wasser, Dünge- oder Pflanzenschutzmittel einzusparen
- Den Energie- und Nährstoffgehalt zu erhöhen
- Nischenkulturarten und -merkmale zu verbessern
Der Klimawandel stellt uns alle vor große Herausforderungen. Die Temperaturen steigen, und die Landwirtschaft leidet weltweit unter extremen Wetterereignissen wie häufigeren Dürren oder Überschwemmungen. Gleichzeitig wirken sich unsere Essgewohnheiten und moderne Lebensweise auf die Umwelt und unsere Gesundheit aus, während es in vielen Regionen weiterhin am Zugang zu erschwinglichen und nahrhaften Lebensmitteln mangelt.
Um diese Probleme anzupacken, benötigen wir Innovationen in der Pflanzenzüchtung, die auf wissenschaftlichen Daten und Erkenntnissen aufbauen. Pflanzenzüchter übernehmen eine wichtige Rolle im Kampf gegen die Auswirkungen des Klimawandels, indem sie eine nachhaltige Landwirtschaft auf der ersten Stufe der Agrar- und Nahrungsmittelkette unterstützen. Moderne molekulare Züchtungsmethoden bieten in Verbindung mit traditioneller Pflanzenzüchtung zusätzliche und effizientere Möglichkeiten, um systematisch die gewünschten Pflanzeneigenschaften zu entwickeln.
In dieser Übersicht stellen wir einige Beispiele für die Anwendung neuer Züchtungsmethoden und ihren beabsichtigten oder erwiesenen Nutzen vor. Bitte beachten Sie, dass diese Anwendungen nicht von KWS entwickelt wurden, sondern Beispiele für das breite Spektrum der wissenschaftlichen Arbeit an Forschungsinstituten und in Unternehmen auf der ganzen Welt sind. Die Beispiele zeigen, dass sich mit neuen Züchtungsmethoden Eigenschaften übertragen lassen, die für die Gesellschaft und Umwelt letztlich von Nutzen sein können – etwa, indem sie Erträge steigern und den Bedarf an Betriebsmitteln verringern („mit weniger mehr produzieren“), Lösungen für den Klimaschutz und die Anpassung an den Klimawandel bereitstellen oder vielfältige Vorteile für die menschliche Gesundheit mit sich bringen.
* Die hier beschriebenen Anwendungen wurden nicht von KWS entwickelt, sondern sind Beispiele für das breite Spektrum der wissenschaftlichen Arbeit an Forschungsinstituten und in Unternehmen auf der ganzen Welt.
Produkte auf dem Markt
Tomaten
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Nährwerte
Gamma-Aminobuttersäure (GABA) ist in rohen Tomaten normalerweise reichlich vorhanden, verringert sich aber mit der Reifung. Dieser Stoff hat verschiedene positive Gesundheitseffekte und kann etwa den Blutdruck senken. Bei der „GABA-Tomate“, die durch Genome Editing mit der CRISPR/Cas9-Methode entwickelt wurde, bleibt der natürliche hohe GABA-Gehalt während des gesamten Reifungsstadiums gleich. Reife Tomaten weisen so fünf bis sechs Mal so viel GABA auf wie herkömmliche Tomaten.
Sojabohnen
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) - TALEN
Nutzen: Nährwerte
Ölsäure ist eine einfach ungesättigte Omega-9-Fettsäure mit vielen positiven Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Sie senkt etwa das Risiko für koronare Herzkrankheiten. Das Calyno™ Sojabohnenöl, das mithilfe transkriptionsaktivatorartiger Effektornukleasen (TALEN) entwickelt wurde, enthält ungefähr 80 % Ölsäure, aber 20 % weniger gesättigte Fettsäuren als herkömmliches Sojaöl und keine gesundheitsschädlichen Transfette. Zudem ist es länger haltbar als herkömmliches Sojaöl.
Forschungsprojekte
Weizen
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Bessere Qualität – Lebensmittelsicherheit
Weizen ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel weltweit. Beim Backen, Toasten und Erhitzen von Lebensmitteln aus Weizen bildet sich der krebserregende Stoff Acrylamid. Der Acrylamidgehalt in Lebensmitteln lässt sich wirkungsvoll reduzieren, indem der Gehalt seines Vorläufers, des freien Asparagins, in der Weizenpflanze verringert wird. Durch Genome Editing mit CRISPR/Cas9 ist es Forschern gelungen, das für Asparaginsynthetase im Weizenkorn verantwortliche Gen so zu beeinflussen, dass die Konzentration freien Asparagins im Korn verringert wird.
Mais
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Bessere Ertragsleistung
Corn known as “waxy corn” has seed starch consisting solely of amylopectin. This causes it to have a special consistency that makes it suitable for many industrial uses. Waxy corn varieties can be developed significantly faster with genome editing than with conventional breeding methods. Moreover, CRISPR-produced waxy corn hybrids have been found to be higher-yielding than those hybrids produced with conventional trait introgression through backcrossing and marker-assisted selection.
Reis
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Höhere Resistenz gegen Insekten und Krankheitserreger – Toleranz gegen abiotische Stressfaktoren
Genetische Verarmung (oder Generosion) bezeichnet den Verlust der genetischen Vielfalt und damit auch den Verlust agronomischer Eigenschaften, die bei wilden Verwandten oder Landsorten (etwa die Resistenz gegen Schädlinge oder Krankheiten) vorhanden sind. Die Reisproduktion in China wird durch die genetische Verarmung besonders bedroht, insbesondere da durch den Klimawandel die Probleme aufgrund von Pflanzenschädlingen und Krankheitserregern zunehmen. Mittels CRISPR/Cas9 konnten Forscher ein für die Wuchshöhe der Pflanzen verantwortliches Gen erfolgreich editieren und so einen kleinwüchsigen Phänotyp bei Landsorten etablieren. Im Vergleich zu den in China kultivierten modernen Sorten zeichneten sich die editierten Linien durch Standfestigkeit, höhere Toleranz gegen Nährstoffarmut und verstärkte Resistenz gegen Krankheitserreger und Insekten aus.
Brokkoli
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) - CRISPR/Cas
Nutzen: Nährwert
Brokkoli ist ein wichtiges Gemüse mit hohem Nährwert. Er enthält Glucoraphanin als wichtiges Glucosinolat. Glucoraphanin wird in Sulforahan umgewandelt, das gesundheitsfördernd wirkt, weil es verschiedenen chronischen Erkrankungen vorbeugt. Mittels CRISPR/Cas9 konnte Brokkoli mit einem höheren Glucoraphaingehalt entwickelt werden.
Tomaten
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Modifizierte Pflanzenstruktur und Blütezeit für urbane Landwirtschaft
Urbane Landwirtschaft wird dank ihrer zahlreichen Vorteile für Umwelt und Gesellschaft immer beliebter. Das sogenannte „Urban Farming“ erfordert allerdings Pflanzensorten, die sich in vielerlei Hinsicht von den in der konventionellen Landwirtschaft gebräuchlichen Sorten unterscheiden. So müssen die Pflanzen kompakt sein und zu geeigneten Zeiten Erträge liefern. Durch Genome Editing der Gene, die für die Architektur und Blütezeit der Tomatenpflanze verantwortlich sind, konnten Forscher kompakte, frühblühende Pflanzen entwickeln, die sich besser für die urbane Landwirtschaft eignen als herkömmliche Sorten.
Tomaten
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Klimaanpassung – Toleranz gegen Salzstress
Der Salzgehalt des Bodens stellt eine ernste Bedrohung für die Landwirtschaft dar, vor allem in vielen trockenen Gebieten und auf bewässerten Flächen. Grundsätzlich beeinträchtigt ein hoher Salzgehalt die Fähigkeit von Pflanzen, Wasser und Nährstoffe aufzunehmen. Forscher haben gezielt bei den negativen Regulatoren der Stressantwort angesetzt, um Tomatenpflanzen zu züchten, die sich unter Versuchsbedingungen in den Keim- und Wachstumsstadien als tolerant gegenüber hohem Salzgehalt erwiesen haben.
Sojabohnen
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas9
Nutzen: Höhere Erträge
Die Anzahl der Samen pro Schote hat bei Sojabohnen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag. Mittels CRISPR/Cas9 ist es Forschern gelungen, bei einer Sojabohnensorte für tiefere Lagen ein Allel einzuführen und den Ertrag dieser Sorte damit um etwa 8 % bis 10 % zu erhöhen. Das Allel ist bei vielen ertragreichen Sojabohnensorten vorhanden. Es kann jetzt genutzt werden, um bessere Sorten für tropische und subtropische Regionen zu züchten, bei denen Kreuzungen zwischen Sorten aus verschiedenen Höhenlagen schwierig sind.
Acker-Hellerkraut/
CoverCress™
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Klimaschutz – diversifizierter Anbauzyklus
Acker-Hellerkraut wird als klimafreundlicher Gründünger verwendet, um Böden zu schützen und den Kohlenstoffverlust außerhalb der Anbauzeiten unter Kontrolle zu halten. Mittels Genome Editing wurde Acker-Hellerkraut zu einer „außersaisonalen“ Pflanze mit verschiedenen Anwendungszwecken für eine nachhaltige Optimierung landwirtschaftlicher Systeme entwickelt. Mit einem Ölanteil von etwa 30 % und einem ähnlichen Proteinmix wie Raps weist CoverCressTM eine ideale Zusammensetzung als Low-Input-Futtermittel für verschiedene Tiere auf und eignet sich gleichzeitig als kohlenstoffarmer Rohstoff für die Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe. Verschiedene weitere Verwendungszwecke sind möglich.
Raps
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Höhere Erträge
Beim Raps korrelieren die Größe und Verzweigung der Pflanzen direkt mit dem Ertrag. Mit konventionellen Züchtungsmethoden war es bisher schwierig, Sorten mit einer ertragsstärkeren Pflanzenarchitektur zu entwickeln. CRISPR/Cas9 ermöglichte Forschern nun die direkte Editierung von Genen, die das Höhenwachstum der Pflanzen und die Ausbildung von Achselknospen regulieren. Die resultierenden kleinwüchsigen und stärker verzweigten Pflanzen stellen das gewünschte Keimplasma für die weitere Züchtung ertragreicher Rapssorten bereit.
Kartoffeln
Angewandte Methode
Gezielte Mutagenese (SDN-1) – CRISPR/Cas
Nutzen: Höhere Resistenz gegen Krankheitserreger – Toleranz gegen abiotische Stressfaktoren
Das Kartoffelvirus Y (PVY) ist einer der wirtschaftlich bedeutsamsten Krankheitserreger bei der Kartoffel. Nach dem Genome Editing eines Allels, das eine Domäne von Coilin kodiert (Strukturprotein, das am RNA-Stoffwechsel und anderen Zellfunktionen in Kartoffeln beteiligt ist), zeigten die editierten Kartoffeln verstärkte Resistenz gegen PVY und höhere Toleranz gegen Salzgehalt und osmotischen Stress.
Zuckerrübe
Genome Editing wird bei KWS hauptsächlich zu Forschungszwecken eingesetzt, etwa für die Identifizierung und Validierung von Genen. Der Genome-Editing-Service für die Zuckerrübe wurde 2021 in enger Verbindung mit den Zuckerrübenzüchtern bei KWS und dem Geschäftsbereich Zuckerrübe eingerichtet.
Sonnenblume
Der Genome-Editing-Service bei KWS wird kontinuierlich erweitert und geht von der Technologieentwicklung zur Anwendung über. Die Sonnenblume ist die neueste Pflanze, die dem Portfolio hinzugefügt wurde.
Weizen
Im Jahr 2020 trat KWS neben 54 anderen mitwirkenden Unternehmen dem Projekt PILTON (Pilztoleranz von Weizen mittels neuer Züchtungsmethoden) bei, um die Pilztoleranz von Weizen zu entwickeln und den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zu verringern. Im Rahmen dieses Projekts konnte KWS in nur neun Monaten erfolgreich genomeditierten T1-Samen entwickeln.
Raps
Raps ist ein Beispiel für eine Kulturpflanze, bei der höhere Resistenz ein wichtiges Züchtungsziel darstellt. Genome Editing erleichtert hier die Züchtung von Sorten mit größerer Widerstandskraft gegen Schadinsekten, die Krankheiten verbreiten. Multiplex-Genome-Editing-Technologien (MGE), durch die zwei oder mehr spezifische DNA-Loci in einem Genom mit hoher Genauigkeit modifiziert werden, eignen sich für die Validierung von Kandidatengenen für Insektenresistenz bei Raps.
Mais
Nachhaltige Landwirtschaft steht im Mittelpunkt der Entwicklung und Anwendung von Genome Editing bei den Pflanzen, mit denen KWS sich beschäftigt. Der Routineservice für das Genome Editing von Mais wurde bereits 2018 eingeführt.
KWS Genome Editing
PILTON - Fungal tolerance of wheat by new breeding methods
PILTON - Forschungsprojekt zu pilztolerantem Weizen durch neue Züchtungsmethoden