An Lobeshymnen mangelt es nicht, wenn es um das Genome-Editing-Verfahren CRISPR-Cas geht. Revolutionär, gezielt, präzise, günstig, einfach sind die Adjektive, mit denen die Methode beschrieben wird. Mit Hilfe der Genschere wollen Wissenschaftler Pflanzen züchten, die Trockenheit und salzhaltige Böden tolerieren, Schädlingen trotzen, Pestizide einsparen und dabei mehr Ertrag liefern. Ein Wunderwerkzeug also, das die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung in Zeiten des Klimawandels nachhaltig sicherstellen kann. Kritiker merken an, dass Versprechen dieser Art schon einmal gemacht wurden: als die Vorzüge der klassischen Gentechnik beworben wurden. Tatsächlich sind heute viele »transgene« Pflanzen ja durchaus resistent gegen Unkrautvernichtungsmittel oder Insekten – der ganz große Wurf blieb jedoch aus. Kann CRISPR mehr?

Die 2012 erstmals beschriebene CRISPR-Cas-Technik ist noch jung. Nur sieben Jahre später ist CRISPR das klar dominierende Genom-Editierungs-Verfahren in der Pflanzenforschung. Bis Mai 2018 wurden laut einer im Journal »Environmental Evidence« erschienenen Übersichtsarbeit von Forschern des Julius Kühn-Instituts in Quedlinburg 1328 Genom-Editierung-Studien an insgesamt 68 Pflanzenarten durchgeführt. 1032 Studien entfielen auf CRISPR. Drei Viertel der Studien wurden in China (599) publiziert, gefolgt von den USA (487), Japan (94) und Deutschland (88). Noch handelt es sich oft um Grundlagenforschung, immerhin 99 Studien an 28 Nutzpflanzen identifiziert die Übersichtsstudie aber als marktorientiert.

»Unsere heutigen Kulturpflanzen sind genetisch verarmt«
Jörg Kudla, Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen, Universität Münster

Klar die Nase vorn hat bei den untersuchten Nutzpflanzen Reis, gefolgt von Tomaten, Mais, Weizen und Sojabohnen. Geforscht wird auch an Kartoffeln, Gurken, Grapefruits, Erdnüssen, Blattsalat und der Banane. Die Ziele sind auch in der CRISPR-Forschung die gleichen wie seit Jahrtausenden. Immer geht es darum, Nutzpflanzen an die Bedürfnisse des Menschen anzupassen. Neben den Klassikern Ertrag und Krankheitsresistenzen versuchen Forscher heute zudem die Qualität zu verbessern: Sie entwickeln Kartoffeln, die länger frisch bleiben und beim Erhitzen weniger Acrylamid produzieren, Weizen mit reduziertem Glutengehalt oder Blattsalat mit erhöhtem Vitamingehalt. Eine mit dem älteren Genom-Editierung-Verfahren TALEN veränderte Sojabohne mit »verbessertem Fettsäureprofil« wird in den USA seit 2018 im kleinen Maßstab angebaut und vermarktet.

Für Reis konnte das internationale Forschungskonsortium »Healthy Crops« jüngst im Fachblatt »Nature Biotechnology« einen Durchbruch verkünden, der Mensch und Umwelt zugutekommen soll: Die Forscher unter der Leitung von Wolf Frommer von der Universität Düsseldorf entwickelten Reispflanzen, die resistent sind gegen mehrere Xoo-Bakterienarten, Erreger der »Weißblättrigkeit«, einer verheerenden Reiskrankheit, die Ernteausfälle von bis zu 75 Prozent verursachen kann. Vor allem trifft es Kleinbauern, die sich keine Pestizide leisten können. Dann zapfen die Bakterien die Zuckervorräte der ungeschützten Reispflanze an, indem sie Proteine in die Pflanzenzellen schleusen, die an die DNA in der Nähe der SWEET-Zuckertransport-Gene andocken, wodurch sie diese aktivieren. Die Pflanze scheidet daraufhin Zucker aus, und die Bakterien sind versorgt; doch die Pflanze verkümmert. Mit Hilfe von CRISPR-Cas veränderten die Forscher diese Andockstellen für Bakterienproteine an allen drei relevanten SWEET-Genen. Diese können dadurch nicht aktiviert werden, und der Zuckerraub findet ein Ende.

Zeit ist Ertrag

»Genome Editing bietet eine Menge Möglichkeiten, die Züchtung zu beschleunigen und zu präzisieren. Es wird aber in der Öffentlichkeit gern so dargestellt, als ob man einfach bestimmte Gene ausschaltet oder verändert, so eine neue Eigenschaft erhält und dann die Pflanze auf den Markt bringt. Dies ist falsch«, betont der Mitautor der Übersichtsarbeit Frank Hartung vom Institut für Sicherheit biotechnologischer Verfahren bei Pflanzen am Julius Kühn-Institut. Hat man das Editierziel erreicht, dann »geht die eigentliche Züchtungsarbeit los. Das heißt, die Pflanze muss auf ihre veränderten Eigenschaften überprüft werden. Das dauert genauso lange wie bei konventionell gezüchteten Pflanzen, in der Regel also mehrere Jahre Anbau und Testung.«

»Die Rechtsprechung ist realitätsfremd und basiert auf dem wissenschaftlichen Stand der 1990er Jahre«
Jörg Kudla, Genetiker

Auch im Fall der Reispflanzen müssen die resistenten Varianten zunächst vor Ort in die lokalen Sorten eingekreuzt werden. Dennoch schätzen Experten, dass mit Hilfe molekularer Züchtungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Verfahren viele Jahre an Arbeit eingespart werden können – je nach Kulturart schätzt man zwischen 6 und 50 Jahre. Denn die gewünschten Veränderungen lassen sich viel schneller und gezielter in Pflanzen einbringen als mit den üblichen Verfahren.

Neue Sequenzen, neue Erkenntnisse

CRISPR und Co eröffnen Pflanzenzüchtern außerdem ganz neue Wege der Pflanzenzucht: »Dank der enormen Fortschritte in der Genomsequenzierung kennen wir immer mehr Pflanzengenome und können diese vergleichen«, sagt Holger Puchta, Leiter des Botanischen Instituts am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). »Dabei fällt auf, dass bei der Entwicklung von Wild- zu Kulturpflanzen relativ wenige Gengruppen beteiligt sind.«

Verändert man nun gezielt nur diese Gene in Wildpflanzen, ermöglicht das eine »beschleunigte Domestizierung«. Im Idealfall erhielte man Nutzpflanzen mit den Vorteilen der Wildpflanzen, die in der Regel robuster sind und oft auch besser schmecken, und jenen von Kulturpflanzen, die ertragreicher sind. »Und das in fünf, zehn Jahren und nicht erst nach Jahrhunderten«, so Puchta.

Die Basis aller Zuchterfolge (und die Grundlage der Evolution) ist die so genannte genetische Variabilität: Vergleicht man mehrere Pflanzen einer Art, die alle auf dem gleichen Feld wachsen, wird man feststellen, dass ihre Genome nicht identisch sind. Sie weisen unterschiedliche Mutationen auf, also kleine und größere DNA-Veränderungen, die manchmal zu unterschiedlichen Eigenschaften führen. Indem der Mensch jahrtausendelang jene Pflanzen mit besonders ertragreichen Fruchtständen favorisierte, traf er eine Auswahl an für ihn vorteilhaften Mutationen. Auf diese Weise entstanden aus Wildgräsern Mais und Weizen und aus Wildkohl Brokkoli, Kohlrabi, Wirsing und Co. »Durch den Ausleseprozess, der vorrangig auf Ertrag zielte, hat die Vielfältigkeit des Erbguts im Lauf der Jahrhunderte deutlich abgenommen. Unsere heutigen Kulturpflanzen sind genetisch verarmt«, erklärt Jörg Kudla vom Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster.

»Solche Pflanzen gelten als potenziell gefährlich. Es ist absurd!«
Holger Puchta, Leiter des Botanischen Instituts am Karlsruher Institut für Technologie

Während man aus einer genetisch verarmten Kulturpflanze keine Wildpflanze mehr machen kann, funktioniert das andersherum mit CRISPR erstaunlich schnell, wie Kudla an einer Wildtomate zeigen konnte: Mit Hilfe von CRISPR schalteten die Forscher sechs Gene der Tomatenart Solanum pimpinellifolium aus. Diese produziert nur erbsengroße Früchte, die aber sehr aromatisch sind und einen hohen Lycopingehalt aufweisen, ein Antioxidans, beschreiben die Forscher in ihrer Veröffentlichung in »Nature Biotechnology«. »Unsere Zuchttomate hatte kirschgroße, wohlschmeckende Früchte und einen erheblich höheren Lycopingehalt als die Wildtomate«, sagt Kudla. »Mit Hilfe von CRISPR-Cas können wir einen Domestikationsprozess noch einmal ganz neu starten und die wertvollen Eigenschaften der Wildpflanzen bewahren.«

Ist CRISPR also tatsächlich ein Alleskönner in Sachen Pflanzenzucht? Jein. Komplexe Eigenschaften wie Salz- oder Trockenresistenz lassen sich auch mit CRISPR nicht ohne Weiteres in Nutzpflanzen zaubern. »Die Hürden in der Erzeugung einer erhöhten Trockenresistenz etwa liegen darin, dass meist nicht nur ein Gen beteiligt ist, sondern mehrere. In einigen Fällen sind diese Gene Transkriptionsfaktoren, und diese spielen eine Rolle in mehreren Stoffwechselwegen der Pflanze, nicht allein bei der Trockenresistenz. Schaltet man ein solches Gen aus oder an, dann sind aufwändige Versuche nötig, um die veränderten Eigenschaften der Pflanze hinterher zu prüfen. Dabei zeigt sich dann leider manchmal, dass die Resistenz mit Nachteilen in anderen Bereichen einhergeht«, erklärt Hartung.

Die klassische Gentechnik, bei der Genetiker artfremde Gene mit vorteilhaften Eigenschaften isolieren und in das Erbgut einer Pflanze einführen – allerdings ungezielt – scheiterte an solchen komplexen Merkmalen. CRISPR könnte indirekt zum Ziel führen und helfen, die Grundlagen komplex regulierter Eigenschaften zu verstehen: »Sagen wir, wir kennen 50 Gene, die an der Trockenresistenz beteiligt sind. Mit CRISPR können wir gleichzeitig eine größere Anzahl Gene verändern, 10 oder 20. Danach erfolgt eine Phänotypisierung, indem man das Pflanzenwachstum in Gewächshäusern genau kontrolliert. So tastet man sich an das komplexe Merkmal heran«, so Puchta.

Ineffizient ist momentan auch das Einführen von größeren DNA-Veränderungen mit Hilfe von CRISPR. Dabei muss man wissen, dass CRISPR vor allem eines kann: DNA an einer vorgegebenen Stelle schneiden. Die Reparatur wird aber der zelleigenen Maschinerie überlassen. Normalerweise wird die Zelle die losen Enden wieder miteinander verknüpfen (non-homologous end joining), was nicht immer akkurat geschieht: Ab und an wird eine Base weggelassen oder eine hinzugefügt, wodurch das betroffene Gen seine Funktion verliert.

Möchte man mit CRISPR ein Fremdgen an eine vorgegebene Stelle einbringen, ist man auf die homologe Reparatur (homology directed repair, HDR) angewiesen. Dabei nutzt die Zelle die mitgelieferte DNA als Vorlage und fügt diese in die DNA ein. »Die homologe Rekombination ist in Pflanzen bislang ineffizient«, sagt Puchta. Pflanzengenome seien sehr groß und die Fähigkeit zur homologen Rekombination vermutlich herunterreguliert, um die Stabilität des Erbguts zu gewährleisten.

So verwundert es nicht, dass sich 92 Prozent der Studien, die Hartung und seine Kollegen auswerteten, auf Punktmutationen und kleinere Insertionen von wenigen Basen konzentrierten. Neben den technischen Schwierigkeiten – die laut Experten eher temporärer Natur sein sollen – könnten dahinter auch handfeste wirtschaftliche Gründe stecken: In einigen Ländern wie USA, Kanada, Brasilien, Australien, Argentinien, Japan und Israel gelten CRISPR-Pflanzen, deren Erbgut nur minimal durch Punktmutationen verändert wurden, die also keine fremde Erbinformation tragen, nicht als gentechnisch verändert. Sie fallen daher nicht unter das Gentechnikgesetz und sind konventionell gezüchteten Pflanzen gleichgesetzt. Dadurch entfallen die sehr hohe Kosten verursachenden Sicherheitsprüfungen für transgene Pflanzen mit fremder Erbinformation.

Diese Länder bewerten die Risiken des Endprodukts. In Europa steht hingegen das Verfahren, der Entstehungsprozess einer Pflanze, im Vordergrund. So entschied der Europäische Gerichtshof (EuGH) im Juli 2018, dass alle mit CRISPR veränderten Pflanzen dem Gentechnikgesetz unterliegen, also ebenfalls die minimal veränderten ohne fremde Erbinformation. Nach dieser rein juristischen und formal korrekten Auslegung fallen auch Pflanzen, die durch klassische Verfahren der ungerichteten Mutagenese erhalten wurden, unter das Gentechnikgesetz. Hier jedoch macht das Gericht eine Ausnahme und erklärt solche altbewährten Methoden für sicher.

»Wir nutzen Chemie und radioaktive Strahlen, um massenhaft Mutationen in Pflanzensamen auszulösen, ohne zu wissen, wie viele entstehen und wo. Solche Pflanzen gelten als sicher. Mit CRISPR rufen wir einzelne Punktmutationen an definierten Stellen hervor. Aber solche Pflanzen gelten als potenziell gefährlich. Es ist absurd«, sagt der KIT-Botaniker Puchta.

Auch Genforscher wie Kudla kritisieren diese Rechtsauffassung: »Die Rechtsprechung ist realitätsfremd und basiert auf dem wissenschaftlichen Stand der 1990er Jahre«, so Kudla. Europa müsse ebenfalls die Bewertung des Produkts in den Vordergrund stellen, »wie es in der Medizin in Europa schon üblich ist«. So sieht das auch die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, die im Dezember 2019 in einer ungewöhnlich deutlichen Stellungnahme die Novellierung des Gentechnikgesetzes und die Bewertung des Endprodukts fordert.

Tatsächlich habe das EuGH-Urteil Europa in eine bizarre Situation gebracht, da das Recht nicht implementierbar ist, meint Kudla: »In Israel ist CRISPR frei gegeben. Wenn wir israelische Tomaten importieren, könnten es CRISPR-Tomaten sein. Der Import wäre zwar illegal, aber niemand kann die Illegalität beweisen«, so der CRISPR-Forscher. Schließlich würden sich CRISPR-Veränderungen am Ende nicht von Veränderungen durch natürliche Mutationen unterscheiden, die in der Natur laufend vorkommen und die Grundlage für Zuchterfolg darstellen.

In China, wo derzeit zwei von drei aller CRISPR-Versuche stattfinden, ist bis dato dagegen noch keine Regulierung verabschiedet. »Man kann nur spekulieren, warum das so ist. Der wahrscheinlichste Fall ist, dass die großen Potenziale erkannt wurden und diese nicht, wie in der EU, durch zu hohen Regulierungsaufwand verhindert werden sollen«, findet Hartung.

Den größten Vorteil von CRISPR sehen viele Wissenschaftler in einer Demokratisierung der Pflanzenzucht: »Wer eine klassische transgene Pflanze züchten will, muss mit enormen Kosten rechnen. Das können sich nur Agrarkonzerne leisten, die dann Blockbuster entwickeln«, sagt Kudla. »Mit CRISPR könnte eine größere Vielfalt auch für begrenzte Märkte entwickelt werden. Die Technik setzt schöpferisches Potenzial frei.«