Springe zur Hauptnavigation Springe zum Inhalt

CRISPR/Cas in der Pflanzenzucht: Bedrohung oder Chance?

Was genau ist CRISPR/Cas? Wo endet Pflanzenzucht, wo beginnt Gentechnik und was sagt der Europäische Gerichtshof dazu? – Ein Überblick

CRISPR/Cas könnte die Pflanzenzucht revolutionieren, ist aber umstritten.
Quelle: travelguide - stock.adobe.com

Seit einigen Jahren sorgt ein Begriff in den Medien für Aufsehen: CRISPR/Cas. Dahinter verbirgt sich ein molekularbiologisches Werkzeug, das die Züchtung von Nutzpflanzen präziser, schneller und günstiger macht. Das neue Verfahren ist jedoch umstritten: Für Kritiker ist es bloß eine weitere Form ungewollter Gentechnik. Für die Befürworter ist CRISP/Cas dagegen eine Revolution in der Pflanzenzüchtung. Sie behaupten, dieses Verfahren habe mit klassischer Gentechnik nichts mehr zu tun.

Nach langjährigem Streit zwischen beiden Seiten hat der Europäische Gerichtshof im Juni 2018 ein Urteil gefällt: Veränderungen im Erbgut, die mit CRISPR/Cas erzeugt werden, sind als Gentechnik einzustufen. Eine Entscheidung, die weitreichende Folgen hat.

Was ist CRISPR/Cas?

CRISPR/Cas ist ein so genanntes Genome Editing-Verfahren. Genome Editing (GE) ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Methoden, mit denen ganz gezielt Veränderungen am Erbgut von Pflanzen und Tieren vorgenommen werden können. Neben CRISPR/Cas zählen Verfahren wie TALEN, ODM oder Zinkfinger dazu.

Gene in der DNA können damit an- oder ausgeschaltet, eingefügt oder entfernt werden. Und das mit einer Präzision, die man vor zehn Jahren noch nicht für denkbar gehalten hätte. Weil sie so präzise arbeiten, werden diese Verfahren umgangssprachlich auch als "Gen-Schere" oder "Gen-Chirurgie" bezeichnet.

Wofür ist CRISPR/Cas in der Landwirtschaft nutzbar?

Mithilfe von CRISPR/Cas ist es gelungen, eine gegen Mehltau resistente Weizensorte zu entwickeln.
Quelle: Juliane Franke - stock.adobe.com

CRISPR/Cas hat vor allem für die landwirtschaftliche Pflanzenzüchtung eine große Bedeutung. Dieses Verfahren eröffnet zum Beispiel Möglichkeiten, Kulturpflanzen widerstandsfähiger gegen schädliche Pilze, Viren und Bakterien zu machen. Auf diese Weise können krankheitsbedingte Ertragsverluste und zugleich der Pflanzenschutzmittelaufwand minimiert werden.

Erste Erfolge gibt es bereits: So ist es Forscherinnen und Forschern gelungen, mit CRISPR/Cas eine Weizensorte zu entwickeln, die eine wirksame Resistenz gegen den bedeutenden Schadpilz Mehltau zeigt. Es gibt aber auch andere Anwendungsbereiche: So konnten spanische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise mit CRISPR/Cas glutenfreien Weizen erzeugen. Forscherinnen und Forscher in Kiel haben mit dem neuen Züchtungswerkzeug Raps entwickelt, der über festere Schoten verfügt, sodass die Samenverluste während der Ernte wesentlich geringer sind.

Pflanzen können zudem hitze- und dürreverträglicher gemacht werden, um den Folgen des Klimawandels entgegenzuwirken. Es gibt also viele Anwendungsmöglichkeiten für CRISPR/Cas, die meisten davon bislang allerdings noch im Laborstadium.

Wie funktioniert CRISPR/Cas?

Der grundlegende Mechanismus hinter CRISPR/Cas ist derselbe, wie er bei jeder natürlichen Erbgutveränderung abläuft. Solche in Fachkreisen auch als Mutation bezeichneten Veränderungen finden bei jeder Zellteilung statt und sind die Grundlage jeder Form von Züchtungsarbeit, also auch der klassischen Kreuzungszüchtung, die auf Gregor Mendel zurückgeht.

Bei einer Mutation des Erbguts werden DNA-Bausteine verändert. Und zwar, indem DNA-Abschnitte entfernt, ein- und umgebaut oder ausgetauscht werden. Solche Mutationen können zufällig entstehen. Sie können aber auch durch Bestrahlung oder Chemikalien ausgelöst werden: Letztere Methode macht man sich schon seit Langem in der sogenannten Mutationszüchtung zunutze.

Seit ein paar Jahren können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler solche Mutationen nun auch durch GE-Verfahren wie CRISPR/Cas entstehen lassen. Der entscheidende Unterschied ist: Bei der natürlichen Mutation und der Mutationszüchtung entstehen die Veränderungen unkontrolliert und in großer Zahl. Es kostet anschließend viel Zeit und Geld, bis Züchter aus der großen Zahl unterschiedlicher Nachkommen genau diejenigen herausgefunden haben, die die gewünschten Merkmale zeigen und bis alle unerwünschten Eigenschaften eliminiert sind. Meist sind dazu mehrere Rückkreuzungsschritte nötig, die sich über Jahre hinziehen können.

Mit CRISPR/Cas dagegen ist Züchtung weniger vom Zufall abhängig: Einzelne DNA-Bausteine in einer Pflanze können damit ganz präzise verändert werden, und das in wenigen Wochen.

Wie eine Genschere durchschneidet das Cas9-Protein den DNA-Doppelstrang.
Quelle: Gernot Krautberger - stock.adobe.com

Im Wesentlichen funktioniert das so: Zunächst lokalisiert eine "Sonde", bestehend aus sogenannten guide-RNA-Abschnitten, die Stelle im Genom, die verändert werden soll. Die guide-RNA ist eine künstlich hergestellte Ribonukleinsäure. Sie wird zusammen mit einem sogenannten Cas9-Protein – im Prinzip eine molekulare Schere – zuvor in die Zelle eingeführt. Das Cas9-Protein schneidet den DNA-Doppelstrang genau an der von der Sonde lokalisierten Stelle durch.

Anschließend fügen die zelleigenen Reparatursysteme den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen. Dabei können einzelne DNA-Bausteine entfernt, verändert oder ergänzt werden.

Aufwändige Rückkreuzungsarbeiten, wie sie bei herkömmlichen Züchtungsverfahren nötig sind, entfallen bei CRISPR/Cas. Ein weiterer Vorteil der Züchtung mit CRISPR/Cas: Sie ist nicht teuer. Eine Anwendung kostet nur etwa 50 bis 60 Euro. Dadurch können auch kleinere Labors und staatliche Einrichtungen damit arbeiten. Für akademische und andere nicht-kommerzielle Forschungsprojekte gelten auch keine Patentansprüche. Das heißt für sie bleiben die CRISPR-Verfahren frei und ohne Lizenzgebühren nutzbar.

Die entscheidende Frage: Gentechnik oder nicht?

Trotz der vielen Vorteile sind CRISPR/Cas und andere GE-Verfahren umstritten. Kritik daran gibt es vor allem von Vertreterinnen und Vertretern des Ökolandbaus und Naturschutzverbänden, aber auch von kritischen Wissenschaftsorganisationen. Für sie handelt es sich bei CRISP/Cas und den andere GE-Verfahren nur um eine andere Form gentechnischer Methoden. Denn das Genom der Pflanzen und Tieren, so ihre Kritik, würde dabei technisch manipuliert – teilweise mit ähnlichen Methoden, unter Einführung von Fremdgenen, wie sie in der "alten" Gentechnik zur Anwendung kommen.

In der Tat ist es so, dass die oben beschriebenen molekularen CRISPR-Werkzeuge – RNA-Abschnitt und Cas-Schneideproteine – meist mit gentechnischen Verfahren in eine Zelle eingeführt werden. Die Befürworterinnen und Befürworter von CRISPR/Cas halten jedoch dagegen, dass, anders als bei der klassischen Gentechnik, bei CRISPR & Co. diese Werkzeuge, nachdem sie ihren Zweck erfüllt haben, wieder aus der Zelle entfernt werden.

Dafür sorgen allein schon die Vererbungsgesetze: Denn das eingeführte Genkonstrukt, mit der "Bauanleitung" für die CRISPR-Werkzeuge, ist nach der Vermehrung in einem Viertel der Nachkommen nicht mehr vorhanden. Und um genau diese Pflanzen geht es bei der Weiterzucht. Sie enthalten nachweisbar keine Fremdgene, so die CRISPR-Befürworterinnen und Befürworter, und sind damit von klassisch gezüchteten Pflanzen nicht mehr zu unterscheiden.

Ihrer Ansicht nach gibt es zudem noch einen anderen wesentlichen Unterschied: So sei bei der klassischen Gentechnik nicht steuerbar, wo und wie oft ein neu eingeführtes Gen im Erbgut eingebaut würde. Bei CRISPR/Cas sei das anders: Denn es wird an einer ganz bestimmten, vorgegebenen Stelle im Genom eine Mutation herbeigeführt. Dabei passiere grundsätzlich genau das, was sich auch bei natürlichen Mutationen oder bei der Mutationszüchtung ereigne – nur eben nicht zufällig, ungesteuert und in großer Zahl, sondern gezielt und präzise.

Welche Konsequenzen hat die Entscheidung des Europäischen Gerichtshofs?

Der Europäische Gerichtshof (EuGH) entschied am 25. Juli 2018, dass grundsätzlich auch mit der CRISPR/Cas-Methode bearbeitete Pflanzen ohne Fremd-DNA als gentechnisch veränderte Organismen (GVO) anzusehen sind und grundsätzlich den in der GVO-Richtlinie vorgesehenen Verpflichtungen unterliegen. Die französische Bauerngewerkschaft Confédération paysanne und weitere acht Verbände hatten gegen die französische Regierung geklagt, weil diese die durch GE-Verfahren veränderten Pflanzen von der GVO-Richtlinie ausnehmen wollte.

Der EuGH begründet sein Urteil damit, dass das genetische Material durch CRISPR/Cas und andere GE-Verfahren in einer Weise verändert wird, wie es auf natürliche Weise nicht möglich sei. Auch seien die Risiken vergleichbar mit jenen der klassischen Gentechnik, bei der fremdes Erbgut transferiert wird. Zudem ermöglichten die neuen Verfahren die Erzeugung genetisch veränderter Sorten in einem ungleich größeren Tempo und Ausmaß als bei der Anwendung herkömmlicher Methoden. Ein Ausschluss aus der GVO-Richtlinie, so die Richter, würde daher dem Vorsorgeprinzip zuwiderlaufen und deren Ziele beeinträchtigen, Schaden für Mensch und Natur zu verhindern.

Entsprechend müssen von nun an Pflanzen, die mithilfe dieser Methoden erzeugt werden, in der EU ähnlich reguliert und gekennzeichnet werden, wie solche, die mit klassischen Gentechnikverfahren erzeugt werden.

Ausgenommen von der Regelung sind allerdings Verfahren der Mutationszüchtung, bei denen Mutationen zum Beispiel durch Bestrahlung oder Chemikalien ausgelöst werden. Solche Anwendungen werden, so die Richter, schon seit langem angewendet und sind daher als sicher einzustufen.

Wie sieht es außerhalb der EU aus?

Zahlreiche Länder außerhalb der EU haben bereits andere Wege eingeschlagen. Große Agrarländer wie zum Beispiel die USA, China, Kanada, Brasilien oder Australien haben beschlossen von Fall zu Fall zu entscheiden, wie mit GE-Pflanzensorten umzugehen ist: Solange nur genetisches Material kreuzbarer Arten – also keine artfremden DNA-Abschnitte – eingebaut wird, bleiben die Pflanzen in der Regel von der Gentechnikregulierung ausgenommen: Das heißt, sie dürfen ohne Auflagen auf den Feldern angebaut, geerntet und vermarktet werden. Auch eine Kennzeichnung ist in diesen Fällen nicht notwendig. 

Welche Auswirkungen hat das für den Agrarhandel der EU?

In den USA wird bereits eine genomeditierte Soja-Sorte angebaut.
Quelle: aki - stock.adobe.com

Bislang gibt es weltweit erst eine GE-Sorte, die es in den praktischen Anbau geschafft hat. In diesem Jahr hat man in den USA die erste GE-Pflanze geerntet: eine Sojabohne mit einem veränderten, und daher, laut Anbieter, "gesünderen" Fettsäureprofil. Anfang 2019 kommt sie als Speiseöl und Müsliriegel in USA in den Handel.

Es wird jedoch nicht lange dauern, bis auch weitere GE-Pflanzen in den USA oder anderen außereuropäischen Agrarstaaten, wo sie nicht als gentechnisch verändert gekennzeichnet werden müssen, auf den Feldern angebaut werden. So wird es sich langfristig kaum vermeiden lassen, dass es zu einer Vermischung mit Nicht-GE-Pflanzenerzeugnissen kommt.

Schwierig wird es auch, zu vermeiden, dass solche GE-Pflanzenerzeugnisse dann unbemerkt über Agrarimporte auf den europäischen Markt gelangen. Denn das Problem ist: Anders als bei der klassischen Gentechnik sind Veränderungen durch Genome-Editing im fertigen Produkt nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand nachweisbar. Je mehr GE-Pflanzen also in außereuropäischen Ländern auf die Felder kommen, umso schwieriger wird es für die EU, den eingeschlagenen Weg durchzuhalten.


Weitere Informationen

Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL): FAQs zu neuen Züchtungstechniken

BVL: Poster - Genome Editing

Dialog GEA - Das interdisziplinäre Portal zu Genome Editing in der Landwirtschaft

transgen.de: CRISPR/Cas & Co - Wozu Genome Editing bei Pflanzen gut ist