Forschung und Innovation in der Pflanzenzüchtung

Für eine möglichst nachhaltige Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion werden in der Pflanzenzüchtung viele verschiedene Züchtungsziele verfolgt.

Während lange vor allem sensorische Merkmale und Ertragssteigerung im Fokus standen, wird heute an vielen verschiedenen Eigenschaften geforscht. Besonders relevant sind Widerstandsfähigkeiten gegenüber abiotischen Faktoren wie Trockenheit, Hitze, Nässe, Kälte und Spätfrost. Aber auch biotische Faktoren wie Resistenzen gegenüber Pilzkrankheiten, Virosen und Schadinsekten rücken zunehmend in den Fokus der Züchtung.

Mit Blick auf die Lebensmittelverschwendung gibt es außerdem Forschung zur Verbesserung der Lagerfähigkeit von Früchten und Gemüse. Ein weiteres Züchtungsziel ist es, Pflanzen für den Verzehr bekömmlicher zu machen. Beispielsweise war Rapsöl lange nicht für den menschlichen Verzehr geeignet, da es gesundheitsschädliche Erucasäure enthalten kann. Durch gezielte Züchtung wurde der Erucasäure-Gehalt drastisch reduziert, sodass Rapsöl heute als gesundes Speiseöl verzehrt werden kann.

Beitrag der Pflanzenzüchtung zum Klimaschutz

Auch Optimierungen für die industrielle Verarbeitung erfolgen züchterisch. Beispielsweise nutzt die Papier- und Klebstoffindustrie Amylopektin, eine Kartoffelstärke. Kartoffeln enthalten jedoch zwei unterschiedliche Stärke-Moleküle: Amylopektin und Amylose. Amylose muss bei herkömmlichen Kartoffeln für die Industrieanwendung aufwendig und energieintensiv entfernt werden. In der Vergangenheit konnte der Amylose-Gehalt durch gezielte Züchtung reduziert werden, sodass bei der Verarbeitung viel Energie eingespart und Prozesse effizienter gestaltet werden können. Somit trägt moderne Pflanzenzüchtung auch direkt zum Klimaschutz bei.

Verteilung der Anwendungsbereiche für genomeditierte Pflanze. Die Daten wurden der EU-SAGE-Datenbank entnommen (https://www.eu-sage.eu/genome-search) und zuletzt am 30.04.2024 abgerufen. Die Züchtungsziele umfassen Ertragssteigerung, Wachstum, Qualitätsmerkmale, biotischer und abiotischer Stress, industrielle Anwendungen, Herbizid-Toleranz, sensorische Merkmale und Lagerfähigkeit.

Grundlagen der Gensequenzanalyse

Um stetig Fortschritte in der Pflanzenzüchtung zu erreichen, ist eine genaue Kenntnis des genetischen Bauplans, der Genom-Sequenz, notwendig. Verglichen mit einem Haus gilt: Wenn der Bauplan vorliegt (also die DNA sequenziert ist), weiß man zwar, wo sich die einzelnen “Räume” befinden (also wo Gene in der Pflanze lokalisiert sind), aber nicht im Detail, wie diese “Räume” tatsächlich ausgestaltet sind (welche konkrete Funktion die Gene erfüllen).

Wenngleich sich die Sequenzierung in den letzten Jahrzehnten erheblich beschleunigt hat und kosteneffizienter wurde, ist der Zusammenbau der einzelnen Gensequenzen (Assemblierung) sowie die Vorhersage der Bedeutung von Genen durch die sogenannte Annotation (Abgleich mit Genen anderer Pflanzen und funktionelle Einordnung) für viele Kulturen bzw. deren Genotypen (pflanzliche Individuen) weiterhin eine komplexe wissenschaftliche Herausforderung.

Systeme der Grünen Gentechnik (bspw. CRISPR/Cas) können dabei helfen, die genaue Bedeutung von Pflanzengenen besser zu verstehen. Dies geschieht häufig durch die gezielte Inaktivierung einzelner Gene und die Analyse der resultierenden Eigenschaften.

Bei bekannten Genen bzw. bekannten Auswirkungen kann die Genomeditierung aber auch den zeit- und kostenaufwändigen Züchtungsprozess unterstützen und beschleunigen.

Künstliche Intelligenz in der Pflanzenzüchtung

Für die Annotation (Abgleich von Genen mit bekannten Genen anderer Pflanzen und funktionelle Einordnung) sowie für die Assemblierung (Zusammensetzen von DNA-Sequenzabschnitten) werden zumeist verschiedene Algorithmen genutzt, um anhand definierter Kennzahlen möglichst präzise Vorhersagen zu treffen.

Doch auch Künstliche Intelligenz findet zunehmend Einzug in die Pflanzenzüchtung. Sie wird zum Beispiel bei der Identifikation neuer Traits eingesetzt – also von Genen, die für bestimmte Pflanzeneigenschaften codieren. Auch für die Modellierung zukünftiger Klimabedingungen und Marktanforderungen können KI-Modelle genutzt werden. So trägt KI bereits beim in silico-Screening (Labor- und Computer-analyse) zur gezielten Reduktion von Zuchtmaterial bei.

Auch die Phänotypisierung – also die Identifikation äußerer Merkmale wie beispielsweise der Stärke eines Krankheitsbefalls, bei der neuronale Netzwerke zum Einsatz kommen – trägt maßgeblich zur Verbesserung des Züchtungsmaterials bei und senkt den personellen Aufwand.