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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