Grüne Gentechnik

Begriff und grundlegende Arbeitsweise

Grüne Gentechnik (Agrogentechnik) ist die Anwendung gentechnischer Verfahren in der Pflanzenzüchtung. Sie erzeugt gentechnisch veränderte Pflanzen beziehungsweise pflanzliche gentechnisch veränderte Organismen (GVO). Dabei werden gezielt einzelne Gene in das Erbgut eingebracht; stammen sie von anderen Arten, heißen die Pflanzen transgen. Grüne Gentechnik gehört zur grünen Biotechnologie und zur Bioökonomie.

Im Unterschied zur herkömmlichen Züchtung kann sie Artgrenzen und Kreuzungsbarrieren wie Unfruchtbarkeit überschreiten. Die konventionelle Züchtung arbeitet häufig mit spontanen oder durch etwa Kälteschocks oder radioaktive Bestrahlung ausgelösten Mutationen. In beiden Fällen müssen geeignete Veränderungen vor weiterer Züchtung ausgewählt werden. Vermarktet werden vor allem herbizid- und insektenresistente Sorten. Ob ihr Einsatz wünschenswert ist, wird unter anderem wegen Ernährungssicherheit, Umweltschutz, Wirtschaftlichkeit und Vorstellungen von Natürlichkeit kontrovers diskutiert.

Forschung und Verfahren

In der Forschung dient Gentechnik dazu, Genfunktionen zu untersuchen. Pflanzen besitzen etwa 20.000 bis 60.000 Gene; selbst bei Arabidopsis thaliana ist für mehr als die Hälfte der Gene keine Funktion bekannt. Verglichen werden häufig Wildtyp-Pflanzen, Überexpressoren mit verstärkter Genproduktbildung sowie Knockdown- oder Knockout-Pflanzen mit verringerter oder fehlender Genfunktion. RNA-Interferenz (RNAi) wird vor allem für Knockdowns genutzt. PCR, quantitative PCR und DNA-Chips helfen beim Klonieren und beim Messen der Genaktivität.

Drei seit Ende der 1990er Jahre verbreitete Wege zur Herstellung transgener Pflanzen sind: Beim Transfer durch Agrobacterium tumefaciens wird ein verändertes Bakterien-Plasmid in Pflanzenzellen eingeschleust; anschließend werden transgene Gewebe ausgewählt und in In-vitro-Kultur zu Pflanzen regeneriert. Beim biolistischen Transfer schießt eine Genkanone DNA-beschichtete Gold- oder Wolframpartikel mit mehr als 1.300 m/s in Zellen. Das Verfahren kann auch Mitochondrien und Plastiden erreichen, ist aber oft nur vorübergehend wirksam. Bei der Protoplastentransformation werden Zellwände entfernt; Polyethylenglykol oder Elektroporation macht die Membran für DNA durchlässig. Die anschließende Regeneration ganzer Pflanzen ist schwierig.

Cisgenese überträgt eine DNA-Sequenz mit Gen, Promotor und Terminator aus einer kreuzbaren Art. Intragenese kombiniert mehrere DNA-Fragmente aus kreuzbaren Arten in einer Anordnung, die bei Kreuzung unwahrscheinlich wäre. Genome Editing verändert eine vorher festgelegte DNA-Stelle: Zinkfingernukleasen, TALENs oder CRISPR/Cas erzeugen einen Doppelstrangbruch. Bei der Reparatur durch NHEJ entstehen oft Mutationen; mit einer zugegebenen DNA-Matrize kann homologe Rekombination gezielte Basenaustausche oder Geninsertionen bewirken. Fehlt die eingesetzte Endonuklease später, kann die Pflanze von klassisch mutierten Pflanzen nicht unterschieden werden. Beim Pfropfen mit einer gentechnisch veränderten Unterlage sind die Früchte kein GVO.

Merkmale und typische Anwendungen

Ein Gentransfer soll ein gewünschtes Merkmal, ein trait, übertragen. Ein einzelnes Transformationsergebnis heißt Event; mehrere kombinierte Merkmale heißen Stacked Events. Anbaumerkmale betreffen vor allem Unkraut- und Schädlingskontrolle. Vermarktungsmerkmale betreffen Nährstoffgehalt, Verarbeitung oder Industrierohstoffe.

Herbizidtolerante Pflanzen überstehen ein bestimmtes Unkrautmittel, während Unkräuter absterben. Beispiele sind Glyphosatresistenz durch das EPSPS-Gen und Glufosinatresistenz durch das PAT-Protein. Weil weltweit 24 Unkräuter durch häufigen Glyphosateinsatz resistent wurden, werden Kombinationen verschiedener Herbizidresistenzen entwickelt. Bt-Pflanzen bilden Bt-Toxine (Cry-Proteine) aus Bacillus thuringiensis gegen bestimmte Insekten. SmartStax-Mais enthält sechs Bt-Toxine sowie Resistenzgene gegen Glyphosat und Glufosinat. Bt-Aubergine wird seit 2014 in Bangladesch angebaut; für 2018 nennt der Artikel stark weniger Spritzmittel und einen sechsfachen Profit. RNAi kann Schädlinge treffen, indem beim Fraß eine RNA aufgenommen wird, die ein lebensnotwendiges Schädlingsgen blockiert. Virusresistenz wurde etwa bei Papaya eingesetzt und rettete in den 1990er Jahren den von Papayaringfleckenvirus bedrohten Anbau in Hawaii.

Weitere Ziele sind Resistenz gegen Bakterien und Pilze, Trocken-, Salz- und Aluminiumtoleranz, bessere Stickstoffnutzung und schnelleres Wachstum. Beispiele sind cisgene Gala-Äpfel gegen Feuerbrand oder Apfelschorf, Kartoffeln gegen Kraut- und Knollenfäule, eine gegen Panamakrankheit resistente Cavendish-Banane sowie durch Ausschalten aller sechs MLO-Allele mehltauresistenter Brotweizen. DroughtGard-Mais zeigte in Feldversuchen 6 % höhere Erträge; 2016 wurden in den USA 1,173 Millionen Hektar angebaut. Ein gentechnisch veränderter Eukalyptus in Brasilien liefert 20 % mehr Holz und ist nach fünf statt sieben Jahren erntereif.

Für Lebensmittel und Verarbeitung werden unter anderem Phytat gesenkt oder Phytase erhöht, um Phosphat und Eisen besser verfügbar zu machen, Protein und Lysin erhöht, Öle verändert und Vitamine angereichert. Golden Rice enthält durch drei Gene mehr β-Carotin, eine Vorstufe von Vitamin A. Bei Tomaten wurde der Folsäuregehalt um das 25-Fache, bei Reis um das 100-Fache gesteigert; 2015 war weltweit keine vitaminangereicherte transgene Pflanze kommerziell zugelassen. Die Innate-Kartoffel verfärbt sich kaum und enthält 70 % weniger beim Frittieren entstehendes Acrylamid. Arctic Apples bräunen nach dem Aufschneiden nicht. Weitere Ansätze sind weniger Lignin für Zellstoff oder Bioethanol, allergenärmere Soja, entgiftete Baumwollsamen und Maniok sowie Pharmapflanzen, etwa Möhrenzellkulturen zur Herstellung von Taliglucerase alfa.

Anbau, Markt und wirtschaftliche Folgen

2016 wurden GVO weltweit auf 185 Millionen Hektar angebaut. Die wichtigsten Kulturen waren Soja (50 % der GVO-Anbaufläche), Mais (33 %), Baumwolle (12 %) und Raps (5 %). 78 % der Soja- und 64 % der Baumwollfläche, aber 33 % der Mais- und 24 % der Rapsfläche wurden mit GVO bestellt. Die größten Flächen lagen 2016 in den USA mit 72,9 Millionen Hektar, Brasilien mit 49,1 und Argentinien mit 23,8 Millionen Hektar. In der EU wurde 2021 Bt-Mais MON810 nur noch in Spanien (96.606 Hektar) und Portugal (4.313 Hektar) angebaut.

Nach den angegebenen Berechnungen erzielten 18 Millionen Landwirte 2015 durch höhere Erträge und Kosteneinsparungen 15,4 Milliarden USD Mehrertrag; für 1996 bis 2015 werden 168 Milliarden USD genannt. Metaanalysen von 2011, 2012 und 2014 berichten im Durchschnitt agronomische und ökonomische Vorteile, besonders bei insektenresistenten Pflanzen und in Entwicklungsländern. Ein Review mit 49 Studien zu Einkommen fand 72 % positive, 11 % neutrale und 16 % negative Ergebnisse. Dagegen können Patente, Verträge gegen Selbstvermehrung, mögliche Klagen, hohe Zulassungskosten und die Konzentration der Saatgutindustrie Risiken darstellen. Mehr als 75 % der Patente der grünen Biotechnologie liegen laut Artikel privat. Preiswirkungen werden unterschiedlich geschätzt: Für 2007 wurden Preissenkungen von 5,8 % bei Mais, 9,6 % bei Sojabohnen und 3,8 % bei Raps berechnet; eine Simulation für 2008 schätzte ohne grüne Gentechnik deutlich höhere Weltmarktpreise.

Regulierung und politische Streitfragen

Es gibt keine weltweit einheitliche Zulassung. Die EU folgt einem prozessbezogenen Vorsorgeprinzip: Ein GVO-Produkt wird zunächst als neuartig und potenziell riskant behandelt; Sicherheitsprüfungen und Kennzeichnung sind vorgeschrieben. In den USA gilt vor allem die produktbezogene substanzielle Äquivalenz: Entspricht das Endprodukt in seiner Zusammensetzung einem herkömmlichen Produkt, wird es ähnlich behandelt. Die Regeln waren laut Artikel lange durch freiwillige Kennzeichnung geprägt.

In der EU regeln die Freisetzungsrichtlinie den Anbau und die Verordnung (EG) Nr. 1829/2003 Lebens- und Futtermittel. Nationale Behörden und die EFSA prüfen Anträge; anschließend entscheiden EU-Kommission, Ausschuss und gegebenenfalls Ministerrat. Für zugelassene Produkte gilt bei zufälligen, technisch unvermeidbaren Beimischungen ein Kennzeichnungsschwellenwert von 0,9 %, auch für Bio-Lebensmittel. Für in der EU nicht zugelassene GVO gilt Nulltoleranz. Mitgliedstaaten dürfen seit dem im April 2015 wirksamen Beschluss den Anbau einzelner EU-zugelassener GV-Pflanzen aus sozioökonomischen oder politischen Gründen untersagen, nicht jedoch entgegen der EU-Risikobewertung.

Koexistenz soll Landwirten eine Wahl zwischen konventioneller, ökologischer und GV-Produktion ermöglichen. Die Mindestabstände unterscheiden sich stark: für Mais etwa 50 m in Spanien, 150 m zu konventionellen und 300 m zu ökologischen Maisfeldern in Deutschland. Wissenschaftler kritisieren teils hohe, politisch motivierte Hürden und hohe Zulassungskosten von geschätzt 6 bis 15 Millionen US$ für eine transgene Maissorte in einem Land. Verbraucher- und Umweltschutzorganisationen fordern dagegen strengere Prüfungen und Kennzeichnung wegen aus ihrer Sicht ungeklärter Risiken. Neue Züchtungsverfahren, besonders Genome Editing ohne fremde DNA, werden zwischen Staaten unterschiedlich als GVO oder Nicht-GVO eingeordnet und können dadurch den Handel erschweren.

Umwelt, Gesundheit und gesellschaftliche Bewertung

Resistenzbildung bei Unkräutern gegen Herbizide und bei Schadinsekten gegen Bt-Toxine ist wissenschaftlich unbestritten. Gegenmaßnahmen sind Refugienflächen mit konventionellen Pflanzen, mehrere Wirkstoffe beziehungsweise Bt-Proteine und vielfältigere Unkrautbekämpfung. Gene können zudem auf wilde Verwandte übergehen. Negative Folgen solcher Auskreuzung auf wilde Unkräuter seien laut einer Übersichtsarbeit von 2011 bisher nicht nachgewiesen; bei Raps kann herbizidresistenter Durchwuchs jedoch die Unkrautbekämpfung in Folgekulturen erschweren.

Studien bewerten Umweltwirkungen unterschiedlich. Eine Berechnung für 1996 bis 2008 nennt 352.000 t weniger Pflanzenschutzmittel und 16,3 % geringere Umweltbelastung durch Pestizide, vergleicht aber den tatsächlichen GVO-Verbrauch mit einem hypothetischen konventionellen Verbrauch. Bt-Pflanzen können Insektizide reduzieren und Nichtzielorganismen gegenüber behandelten Feldern schonen. Andere Untersuchungen beschreiben nach Ausweitung und Intensivierung der Landwirtschaft mehr Herbizideinsatz, Resistenzbildung, Energieverbrauch und weniger Biodiversität. Die Europäische Kommission fasste 2010 EU-finanzierte Studien dahingehend zusammen, dass keine Hinweise auf höhere Umweltrisiken als bei konventionellen Pflanzen vorlägen; Hilbeck und andere bestritten einen solchen wissenschaftlichen Konsens.

Für Gesundheitsrisiken beschreibt der Artikel einen weitgehenden wissenschaftlichen Konsens großer wissenschaftlicher Einrichtungen: Zugelassene Anwendungen seien nicht mit höheren Risiken verbunden als konventionelle Züchtung. EU-Kompendien von 2001 und 2010 sowie eine Meta-Studie mit 1.783 Publikationen aus 2002 bis 2012 fanden keine Hinweise auf ernstzunehmende Risiken. Vollständig ausschließen lassen sich zukünftige Schäden nicht. Kritiker nennen mögliche Veränderungen von Nährstoffen, Toxinen oder Allergenen. Das Paranuss-Gen in einer methioninreich geplanten Sojabohne wurde 1996 als Allergen erkannt; die Entwicklung wurde abgebrochen. Der Artikel nennt keinen Fall, in dem ein Allergen in eine zugelassene transgene Pflanze eingebracht wurde.

Ethisch wird abgewogen: Befürworter verweisen auf mögliche Beiträge gegen Hunger und Mangelernährung; andere betonen unvollständiges Wissen, mögliche unerwartete Wirkungen und sozial-ökologische Alternativen. In Industriestaaten ist die öffentliche Ablehnung besonders ausgeprägt. Laut Naturbewusstseinstudie 2017 befürworteten in Deutschland 79 % ein Verbot von Gentechnik in der Landwirtschaft; 93 % verlangten stets Untersuchungen möglicher Naturauswirkungen.