Sieger auf der Durststrecke

Wassermangel wird für die Landwirtschaft zunehmend zum Problem. Saatguthersteller in aller Welt arbeiten an dürretoleranten Pflanzen.

Erst blieb es trocken, dann explodierten die Preise. Als Ende vergangenen Jahres die üblichen saisonalen Regenfälle in weiten Teilen Brasiliens und Argentiniens ausfielen, reagierten Händler an den weltweiten Rohstoffbörsen alarmiert: Die beiden Länder sind nach den USA die mit Abstand größten Exporteure von Sojabohnen. In den folgenden Wochen bestätigten sich die schlechten Ernteprognosen, die trockenheitsbedingten Verluste erreichten in manchen Regionen zweistellige Prozentwerte. Die Folge: Zwischen Dezember und Anfang Mai stieg der Sojapreis um 23 Prozent auf den höchsten Stand seit vier Jahren.

"Trockenheit und Dürre sind seit jeher ein Problem für die Landwirtschaft, doch in den kommenden Jahrzehnten droht sich die Situation erheblich zu verschärfen", sagt Jean-Marcel Ribaut, Direktor des Generation Challenge Programme, einem Pflanzenzuchtprojekt des Verbunds internationaler Agrarforschungszentren CGIAR.

Allein schon die rasant wachsende Weltbevölkerung wird mit ihrem zunehmenden Wasserbedarf immer häufiger Engpässe verursachen. Darüber hinaus wird der globale Klimawandel den Prognosen zufolge das Problem in vielen Regionen noch zuspitzen. Dürrebedingte Ernteausfälle belaufen sich nach Angaben der amerikanischen Agrarfirma Pioneer bei Mais, einem der weltweit wichtigsten Nahrungs- und Futtermittel, bereits heute auf über 13 Milliarden Dollar pro Jahr. Der Klimawandel könnte die Verluste noch einmal erheblich steigern. Nahezu alle großen Saatguthersteller und verschiedene gemeinnützige Agrarforschungszentren auf der ganzen Welt arbeiten daher an Pflanzen, die mit weniger Wasser auskommen. Sie nutzen dabei die Möglichkeiten der traditionellen Pflanzenzucht genauso wie molekularbiologische Methoden. Erste Ergebnisse sind inzwischen greifbar: Im vergangenen Jahr führten die Unternehmen Syngenta und Pioneer eine Reihe speziell gezüchteter trockentoleranter Maissorten auf dem US-Markt ein.

Syngenta-Wissenschaftler identifizierten rund 100 Maisgene, die den Wasserhaushalt der Pflanzen beeinflussen. Zunächst markierten sie diese Gene mithilfe kurzer, künstlich hergestellter DNA-Schnipsel. Dann konnten sie die gekennzeichneten Erbgutabschnitte mit klassischer Züchtung in Maispflanzen kombinieren. Schließlich testeten sie ihre Neuzüchtungen auf Überlebensfähigkeit bei unterschiedlich starkem Wassermangel. Die Technologie ist erst einige Jahre alt und wird als Marker-assisted breeding oder Präzisionszucht bezeichnet. 13 der Gene lieferten den erwünschten Effekt. Die modifizierten Syngenta-Sorten nehmen besser Wasser über die Wurzeln auf und können ihre Blätter und damit den Photosynthese-Prozess bei Trockenheit länger am Leben erhalten. Die neue Maissorte von Pioneer schließt bei Trockenheit unter anderem schneller ihre Spaltöffnungen. So verhindert sie, dass viel kostbares Wasser durch Verdunstung verloren geht. Syngentas und Pioneers Spezialzüchtungen sollen bei Wassermangel zwischen 5 und 15 Prozent mehr Ertrag bringen als nicht für Trockenheit optimierter Mais. Bei normalem Wasserangebot können Bauern dagegen genauso viel ernten wie mit den üblichen Hochleistungssorten.

Solche Erfolgsbeispiele können jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Fortschritt nur langsam vorankommt. In den vergangenen Jahren waren Pflanzenzüchter vor allem mit punktuellen Veränderungen am Saatgut erfolgreich – um beispielsweise Immunität gegenüber einem bestimmten Herbizid zu erzeugen. Ungleich schwieriger ist es jedoch, einer Pflanze Widerstandskraft gegen Trockenheit zu verleihen. Denn die Strategien, mit denen Pflanzen ihren Wasserhaushalt regulieren und versuchen, sich an die Umweltbedingungen anzupassen, sind überaus komplex und unterliegen vielschichtigen Wechselwirkungen; mit dem Einfügen eines einzelnen Gens ist es da nicht getan. Hinzu kommt: Die regionalen Wetterbedingungen, die Wasserspeicherkapazität des Bodens, der Zugang zu Düngemitteln – alles spielt eine Rolle. "Es gibt bei diesem Problem einfach nicht eine Lösung für alle", konstatiert Agrarforscher Jean-Marcel Ribaut.

Das Steuerungsnetzwerk des Wasserhaushalts bietet zwar viele mögliche Ansatzpunkte für die Züchtung. Allerdings bringen Veränderungen auch häufig unerwünschte Folgen mit sich. Pflanzen mit längeren Wurzeln beispielsweise können tiefer gelegene Wasserreserven anzapfen, haben jedoch in Experimenten einen schlechteren Ertrag erzielt. Veränderungen an der Kontrolle der Spaltöffnungen, wie sie beim Pioneer-Mais erfolgreich waren, schießen oftmals über das Ziel hinaus: Schließt ein Gewächs die Öffnungen bei Trockenheit zu fest, verliert es zwar weniger Wasser, kann aber nur noch schlecht Photosynthese betreiben, weil über die Öffnungen auch das dafür nötige Kohlendioxid aufgenommen wird.

Bayer CropScience setzt bei der Züchtung auf Raps, dessen Energiestoffwechsel verändert wurde. Verschiedene genetische Modifikationen sorgen dafür, dass die Pflanze stets genug von einem Molekül namens NAD zur Verfügung hat, das im Energiehaushalt eine wichtige Rolle spielt. "Wir konnten zeigen, dass der Eingriff eine Reihe positiver Auswirkungen hat, unter anderem einen erhöhten Ertrag und eine bessere Leistung unter Stress wie Trockenheit", sagt Matthew Hannah von Bayer CropScience. Mit der kanadischen Firma Performance Plants forscht der Konzern zudem an hitze- und dürretoleranter Baumwolle. BASF Plant Science wiederum hat mit dem US-Saatgutriesen Monsanto eine Maissorte entwickelt, in die das sogenannte cspB-Gen des Bodenbakteriums Bacillis subtilis eingeschleust wurde, Das Gen verleiht dem Gewächs eine höhere Trockentoleranz. In Feldversuchen erzielte die Sorte eine Ertragssteigerung von sechs bis zehn Prozent.

Für Bauern in Entwicklungsländern sind die Züchtungen der großen Konzerne allerdings selten erschwinglich. "Das betrifft sowohl die Anschaffung als auch die Behandlung mit Dünger und Pflanzenschutzmitteln", sagt Jean-Marcel Ribaut. Mithilfe der Bill & Melinda-Gates-Stiftung und anderen Spendern hat der internationale Agrarforschungsverbund CGIAR mehrere eigene dürretolerante Maissorten in 13 afrikanischen Ländern eingeführt. Sie werden dort auf etwa 15 Prozent der Maisanbauflächen kultiviert und liefern bis zu einem Drittel mehr Ertrag bei Wassermangel. Auch an Maissorten für andere Regionen arbeiten die Experten von CGIAR.

Doch ganz gleich für welche Zielgruppe die Pflanzen optimiert werden, fest steht: Die Züchtung dürre- und allgemein stresstoleranter Nutzpflanzen steht erst ganz am Anfang. "Das ist wie mit dem Züchten von Sorten, die einen höheren Ertrag liefern", sagt Ribaut. "Es geht immer noch ein bisschen besser." (bsc)