1. Quartal 2006

Trockenheits- und Salztoleranz: Grundlagen und aktueller Stand der Gentechnik

Wassermangel und Bodenversalzung begrenzen bereits heute die landwirtschaftliche Produktion in vielen Regionen der Erde. Wasser wird in Zukunft der wichtigste Faktor sein, der die Erhöhung der Nahrungsmittelproduktion limitiert. Angesichts des Klimawandels und der stetig zunehmenden globalen Mitteltemperatur muss man damit rechnen, dass trockene Hitzesommer zunehmen, die durch Trockenstress zu Ernteverlusten in der Landwirtschaft führen.

Deshalb wird in vielen Ländern daran gearbeitet, dürre- und salztolerante Pflanzen zu entwickeln; das Wissen über die komplexen Mechanismen ist aber noch gering. Viele Forscher gehen davon aus, dass Salz- und Trockenheitstoleranz auf der gemeinsamen Wirkung einer Vielzahl von Genen beruht. Einzelne Gene einzufügen erscheint wenig Erfolg versprechend. Trotzdem gibt es viele Forschungsansätze, welche die Wirkung einzelner Gene untersuchen und durchaus viel versprechende Ergebnisse liefern.

Natürliche Schutzmechanismen gegen Trockenheit und hohen Salzgehalt

Trockenheits- und salztolerante Pflanzen zeichnen sich durch bestimmte morphologische und/oder physiologische Besonderheiten aus:

Morphologische Schutzmechanismen: tiefes Wurzelsystem; Verstärkung der Cuticula (Wachsschicht auf der Oberfläche), um die Verdunstung zu reduzieren; Verringerung der transpirierenden Oberfläche (z. B. kleine Blätter, Blattfall bei Trockenheit); Wasserspeicherung im Gewebe (z. B. Sukkulenten mit dickfleischigen Blättern); Salzausscheidung über spezielle Drüsen

Physiologische Schutzmechanismen: Import und Export bestimmter Ionen; Bildung von Substanzen, welche die Stabilität der Membran erhöhen; Enzyme, die schädliche Zwischenprodukte abbauen; funktionale und regulative Proteine

Wo steht die Forschung derzeit?

Die meisten bisherigen gentechnischen Forschungsansätze konzentrieren sich auf die physiologischen Mechanismen und darauf, die molekulare Basis der abiotischen Stresstoleranz zu entschlüsseln.

Einige Forschungsprojekte zielen auf so genannte Osmoprotektoren, Stoffe, die in der Zelle angereichert werden und dazu führen, dass das Wasser stärker in der Zelle zurückgehalten wird, und so das Austrocknen verhindern. Ein anderer Ansatz beschäftigt sich mit speziellen Proteinen der Zellmembran, die als Kanal- und Transportproteine fungieren und dadurch den Wasserdruck der Pflanzenzellen regeln. Weitere Projekte arbeiten mit Entgiftungssystemen oder mit regulativen Proteinen, die an der Steuerung der Genaktivität beteiligt sind.

Eine Reihe anderer Beispiele zeigt, dass an dieser Thematik intensiv gearbeitet wird und Forscher immer wieder erfolgreich einzelne Gene übertragen. Obwohl man verschiedene Mechanismen gefunden hat, die unter kontrollierten Bedingungen die Stresstoleranz erhöhen, und bereits einzelne transgene dürre- und salztolerante Pflanzen entwickelt hat, ist der Weg zu anbaufähigen Sorten noch weit. Bisher wurden die meisten Versuche unter nichtrealistischen Umweltbedingungen im Gewächshaus durchgeführt, nur wenige wurden im Freiland getestet. Oft leiden der Ertrag oder andere wichtige Eigenschaften der Pflanze. Da bei abiotischem Stress viele Faktoren und Gene zusammenwirken, ist die Entwicklung toleranter Pflanzen schwierig und zeitaufwändig. Bis zur Zulassung der ersten gentechnisch hergestellten trockenheits- und/oder salztoleranten Pflanze werden noch Jahre vergehen.