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Gene Drive bei Pflanzen

Gene Drives könnten Unkräuter eindämmen, indem sie Herbizid-Resistenzen beseitigen oder die geschlechtliche Fortpflanzung behindern. Doch bei Pflanzen stößt diese Methode auf hartnäckige Probleme.

Landwirte wenden viel Geld und Mühe auf, um Unkräuter von ihren Äckern fern zu halten. Zum Einsatz kommen meist Herbizide, die viele weitere Pflanzen in Mitleidenschaft ziehen und die Umwelt schwer belasten. Zudem schränken aufkommende Resistenzen die Wirksamkeit vieler gängiger Herbizide ein. Wirksame und umweltschonende Alternativen bleiben jedoch Mangelware.

Rücknahme von Herbiziden

Manche Forscher glauben, dass genetische Manipulationen einige dieser Probleme lösen können1. Sie planen gezielte Eingriffe in das Erbgut von Pflanzen, die sich mit Hilfe von Gene Drives in der freien Natur ausbreiten. Herbizid-Resistenzen bieten sich dafür geradezu an: Sie beruhen meist auf einfachen genetischen Veränderungen, die Forscher leicht aufspüren und untersuchen können. Die Entwicklung von Gegenmaßnahmen ist dann vergleichsweise einfach.

Das Ackerunkraut Amaranthus palmeri hat entweder männliche oder weibliche Blüten: Ein Gene Drive könnte die Geschlechterverteilung manipulieren und eine Fortpflanzung verhindern. (Bild: Pompilid / wikimedia)

Zumindest theoretisch wären Gene Drives dazu geeignet, Resistenzen in wildlebenden Pflanzen zurückzunehmen und die Wirkung eines Herbizid uneingeschränkt wiederherzustellen. Dieser Ansatz könnte zwar die Entwicklung von neuen - und vielleicht noch gefährlicheren - Herbiziden überflüssig machen, eine umweltverträgliche Lösung wäre er aber nicht. Die Abhängigkeit der Landwirtschaft von Umweltgiften würde eher noch erhöht.

Pflanzen mit ausschließlich männlichen Blüten

Etwas schonender für die Natur wäre der Ansatz, einzelne Ackerunkräuter gezielt mit Gene Drives auszurotten. Ähnlich wie bei Tieren könnten Forscher versuchen, die Geschlechterverteilung zu beeinflussen: Wenn nur noch männliche Individuen geboren werden, ist eine geschlechtliche Fortpflanzung nicht mehr möglich und die Population bricht zusammen.

Auch sogenannte zweihäusige Pflanzenarten trennen sich in unterschiedliche Geschlechter auf - einzelne Exemplare bilden entweder männliche oder weibliche Blüten. Dazu zählt auch das Fuchsschwanzgewächs Amaranthus palmeri, das sich in Amerika auf Felder ausbreitet und große Schäden verursacht. Die Ausbildung der weiblichen Blüten wird durch ein Gen gesteuert, das Forscher kürzlich identifiziert haben2. Sollte es gelingen, dieses mit einem Gene Drive auszuschalten, würden in der nächsten Generation nur männliche Pflanzen entstehen und die Vermehrung zum Erliegen kommen.

Dieser Gene Drive hätte den Vorteil, dass andere Pflanzenarten unbehelligt blieben. Dennoch wäre es ein tiefer Eingriff in die Natur: Niemand könnte genau vorhersagen, welche Folgen die Ausrottung der Pflanzen für die betroffenen Ökosysteme hat.

Genschere CRISPR bei Pflanzen wenig effizient

Derartige Überlegungen bleiben aber reine Spekulation, da vor einer praktischen Anwendung noch hohe Hürden überwunden werden müssen. Selbst Tests im Labor kommen kaum voran. Im Gegensatz zu Tieren birgt die Biologie der Pflanzen zahlreiche Fallstricke, die Forscher vor große Probleme stellen.

Diese beginnen bereits mit der Genschere CRISPR/Cas9, auf der bei Tieren viele Gene Drives beruhen. Die Genschere schneidet das Erbgut zielgenau an einer bestimmten Stelle, der Einbau des Gene Drive erfolgt dann über zelleigene Reparaturmechanismen. Während bei Tieren der Gene Drive als Vorlage für die Reparatur dient und er dabei in das Erbgut eingebaut wird, ist dieser Kopiervorgang bei Pflanzen nur sehr selten erfolgreich3. Ein Gene Drive bei Pflanzen kann daher voraussichtlich nicht auf CRISPR/Cas9 oder anderen Genschere beruhen.

Samenbanken bremsen den Gene Drive aus

Selbst wenn es gelingt, einen Gene Drive für Pflanzen im Labor zu entwickeln, könnte er sich nur schwer in der Natur durchsetzen. Ein Problem ist die relativ lange Generationszeit vieler Pflanzen: Während Insekten meist zahlreiche Vermehrungszyklen im Jahr durchlaufen, sind es bei Pflanzen oftmals erheblich weniger. Nicht selten entsteht nur eine neue Generation pro Jahr. Gene Drives benötigen aber wohl mindestens zehn Generationen, um sich in freier Natur durchzusetzen - für einen Nutzen in der Landwirtschaft wäre das viel zu lang.

Eine weitere Komplikation sind sogenannte Samen- oder Diasporenbanken: Viele Pflanzen verstreuen langlebige Samen im Boden, die teilweise erst nach Jahren keimen und neue Triebe bilden. Selbst ein sehr erfolgreicher Gene Drive müsste daher ständig mit nachwachsenden Pflanzen konkurrieren, die das natürliche Erbgut wieder in der Natur verbreiten.

Genmanipulationen gegen Unkräuter - diese Idee nahm bereits in den ersten Patentanträgen zu Gene Drives großen Raum ein. Die Forschung hinkt allerdings noch deutlich hinterher. Ob ein Gene Drive auch bei Pflanzen eine wirksame Option ist, wird sich wohl erst in vielen Jahren zeigen.

1 P. Neve, Gene drive systems: do they have a place in agricultural weed management?, Pest Manag Sci, Dezember 2018 (Link)
2 Montgomery et al., Sex-specific markers for waterhemp (Amaranthus tuberculatus) and Palmer amaranth (Amaranthus palmeri), Weed Science, Juli 2019 (Link)
3 Hahn et al., Homology-Directed Repair of a Defective Glabrous Gene in Arabidopsis With Cas9-Based Gene Targeting, Frontiers in Plant Science, 2018 (Link)
Das Ackerunkraut Amaranthus palmeri hat entweder männliche oder weibliche Blüten: Ein Gene Drive könnte die Geschlechterverteilung manipulieren und eine Fortpflanzung verhindern. (Bild: Pompilid / wikimedia)

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Kurz und knapp

  • Resistenzen gegen Herbizide beruhen meist auf einfachen Mutationen, die mit Gene Drives zurückgenommen werden könnten
  • Gene Drives könnten bei zweihäusigen Pflanzenarten die Geschlechterverteilung manipulieren und die Fortpflanzung behindern
  • Genscheren wie CRISPR/Cas9 eignen sich bei Pflanzen vermutlich nicht für die Konstruktion eines Gene Drive
  • lange Generationszeiten und Samenbanken erschweren die Durchsetzung eines Gene Drive in freier Natur
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