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Überblick zu gentechnisch veränderten Maissorten

Weltweit existieren Hunderte gentechnisch veränderte Maissorten. Sie werden nach dem Transformationsereignis, dem sogenannten Event, durch die Agentur International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications (ISAAA) klassifiziert und deren Zulassung in den verschiedenen Ländern registriert. In dieser Datei finden sich für Mais insgesamt 231 Events, wobei häufig mehrere Eigenschaften in einem Event kombiniert sind (Stacked Events). Unter den kommerziellen Sorten betreffen am meisten Events Herbizidtoleranz mit 203 Events, gefolgt von Insektenresistenz (202), veränderter Produktqualität (12), Trockentoleranz (6), Bestäubungskontrolle (6) und vergrösserter Kolben (1).[1]


Auswahl kommerziell relevanter Maissorten[1][2]
Markenname Event Herbizidtoleranz Herbizidtoleranz Insektenresistenz-Gene
Glyphosat Glufosinat
Agrisure GT GA21 +
RoundUp Ready 2 NK603 +
Liberty Link T25 +
Herculex TC1507 + Cry1F
Agrisure RW MON810 Cry3A
YieldGard™ Rootworm RW MON863 Cry3Bb1
Agrisure CB/LL Bt11 + Cry1Ab
Maximizer™ Bt176 + Cry1Ab
Agrisure GT/CB/LL Bt11 + GA21 + + Cry1Ab
SmartStax MON88017+MON89034+DAS59022-7+TC1507 + + Cry3Bb1+Cry1A.105+Cry2Ab2

+Cry34+Cry35Ab1+Cry1F

Agrisure Viptera 3220 Bt11 + GA21 + MIR162 + TC1507 + + Cry1Ab+Vip3Aa20+Cry1F

Herbizidtoleranter Mais

Um die Unkrautbekämpfung beim Anbau von Mais zu erleichtern, wurden Resistenzgene gegen Herbizide in das Genom des Mais integriert. Zunächst wurde von der Firma Monsanto die Glyphosatresistenz eingebracht, so dass der Gv-Mais RoundUp Ready 2 (Event NK603) gegen Gylphosat (Markenname Roundup) resistent ist. Die Firma Bayer setzte das Resistenzgen gegen Glufosinat ein, um eine Resistenz gegen Glufosinat (Markenname Liberty) zu erreichen. Dieser transgene Mais wird als Liberty Link (Event T25) vermarktet.

Da nach nach einigen Jahren gewisse Unkräuter gegen diese Herbizide resistent wurden, sind einzelne Maissorten entwickelt worden, die gleichzeitig Resistenzen gegen Glyphosat und Glufosinat enthalten. Da teilweise auch Unkräuter auftauchten, die sowohl gegen Glyphosat als auch Glufosinat resistent sind, wurden auch andere Resistenzgene in Maispflanzen eingebracht. Im Jahr 2017 sind die Maissorten Optimum™ GAT™ und Enlist™ zum Anbau zugelassen, die Resistenz gegen die Herbizide Sulfonylharnstoffe bzw. 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure vermitteln.[3]

Insektenresistenter Mais

Bt-Mais

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Raupe des Maiszünslers Ostrinia nubilalis, schwächt durch seine Fraßgänge die Standfestigkeit der Pflanze.

Um Frassschäden durch Insekten am Mais zu vermeiden, wurde Gv-Mais entwickelt, der insektenresistenz ist. Hierzu wurden Gene des Bakteriums Bacillus thuringiensis eingeschleust. B. thuringiensis ist ein weltweit verbreitetes Bodenbakterium, dessen Unterarten über 200 verschiedene Proteine (Bt-Toxine) produzieren, die jeweils spezifisch auf die Larven bestimmter Insektenarten der Ordnungen Käfer, Schmetterlinge, Zweiflügler und Hautflügler sowie Nematoden tödlich wirken.[4] Hierunter fallen wichtige Mais-Schädlinge wie der Maiszünsler (Ostrinia nubilalis), der westliche Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera) und die Ypsiloneule (Agrotis ipsilon). In Nord- und Südamerika treten zusätzlich der Herbst-Heerwurm (Spodoptera frugiperda), der Westliche Bohnenschneider (Striacosta albicosta, engl. Western Bean Cutworm) und der Stalk Borer (Papaipema nebris) auf. Die genveränderte Pflanze bildet eine zunächst ungiftige Vorstufe des Toxins (Protoxin). Erst im Darm bestimmter Insekten wird es in die aktive Form umgewandelt. Dieses Toxin bindet an bestimmte Rezeptoren der Darmwand des Insekts und beginnt diese zu zersetzen, was zum Hungertod führt. Bt-Toxine gelten als harmlos für Menschen, Wirbeltiere und Pflanzen. Sie sind biologisch abbaubar, werden aber über die Wurzel in den Boden abgegeben. Studien kamen zu unterschiedlichen Ergebnissen hinsichtlich der Abbaugeschwindigkeit (wenige Tage bis mehrere Monate), die in erster Linie von verschiedenen Bodeneigenschaften abhängt.[5] B-Toxine werden als Präparate (Suspensionen) seit Jahrzehnten im biologischen Pflanzenschutz eingesetzt und sind auch im Ökolandbau zugelassen, zum Beispiel gegen den Maiszünsler unter dem Handelsnamen Dipel ES.[6]

Die konstante Präsenz des Protoxins in der Pflanze unterscheidet sich von der periodischen Anwendung von biologischen oder chemischen Insektiziden dahingehend, dass die Schadinsekten dem Gift ständig ausgesetzt sind. Ein weiterer Unterschied gegenüber der Verwendung von Bt-Suspensionen besteht darin, dass Schädlinge das Gift direkt mit ihrer Nahrung (Maispflanze) fressen, anstatt dass sie die Suspension separat aufnehmen. Bt-Mais besitzt somit im Vergleich zu konventionellem Mais, der mit chemischen Insektiziden besprüht wird, eine erhöhte Präzision, da Schädlinge gezielter bekämpft werden und Nichtzielorganismen, die sich nicht vom Mais ernähren, nicht betroffen sind. [4]

Bekannte Anbieter von Bt-Mais sind Monsanto, Syngenta, Pioneer Hi-Bred (DuPont) und Dow AgroSciences.

Im Jahr 2002 sind erste Daten zu Resistenzen gegen Bacillus thuringiensis-Toxine aufgetaucht und 2016 waren schon 12 unabhängige Fälle beschrieben, bei denen Maisschädlingen gegen bestimmte Bt-Toxine resistent waren.[7] Um die Resistennzentwicklung gegen die Bt-Toxine zu überspielen, wurden zunächst mehrere Bt-Toxine gleichzeitig eingesetzt.[8] So enthält SmartStax von Monsanto sechs verschiedene Bt-Toxine. Da dieser Ansatz nur teilweise erfolgreich war, wurden auch ganz andersartige Toxine aus Bacillus thuringiensis, die sogenannte Vip-Proteine, eingesetzt, die über einen anderen Rezeptor der Darmwand der Insekten wirken.[9] Auch diese Bt-Toxine werden häufig mit mehreren anderen Bt-Toxinen kombiniert, beispielsweise in der Maissorte Agrisure Viptera 3220.

RNA-Interferenz

Ein ganz anderer Ansatz, um die Resistenzentwicklung gegen Bt-Toxine zu umgehen, besteht darin, durch stabiles Einbringen kurzer DNA-Stücke aus Genen der Schadinsekten den Schädling durch RNA-Interferenz zu bekämpfen. Da die RNA-Interferenz eine Sequenzähnlichkeit zwischen dem eingebrachten DNA-Stück und dem Gen im Zielorganismus erfordert, ist bei einer geeigneten Wahl der Sequenz eine hohe Spezifität möglich.[10] So zeigt eine 240 Basenpaar lange DNA-Sequenz aus dem Sfn7 Gen des Westlichen Maiswurzelbohrers eine hohe Spezifität gegen den Westlichen Maiswurzelbohrer und wirkt nur gegen wenige nahverwandte Käferarten.[11] Mehrere Maissorten, die dieses 240 Basenpaar DNA-Stück des Snf7-Gens des Westlichen Maiswurzelbohrers enthalten, sind seit 2015 in mehreren Ländern für den kommerziellen Anbau zugelassen.[12]

Veränderte Produktqualität

Tierfutter-Mais (Phytase-Mais)

Ein hoher Anteil des Phosphats in Pflanzen ist in Phytat gebunden und kann von nicht-wiederkäuenden Nutztieren, wie Schweinen und Geflügel, nicht aufgenommen werden. Die Aufnahme von Phosphat kann durch Zusatz von Phytase im Tierfutter ermöglicht werden. Die chinesischen Behörden erteilten 2009 Phytase-Mais die Zulassung zum Anbau. Phytase-Mais wurde von chinesischen Forschungseinrichtungen entwickelt und bildet infolge eines eingeführten Gens das Enzym Phytase, wodurch Schweine und Geflügel den im Maisfutter enthaltenen Phosphoranteil des Phytats verwerten können.[13] Zugleich sinkt die Umweltbelastung, da Gülle und Stalldung weniger mit Phosphaten belastet sind.

Alternativ kann die endogene Phytatkonzentration in einer Nutzpflanze erniedrigt werden, indem man durch Genome Editing das IPK1-Gen inaktiviert, das für die Phytatsynthese verantwortlich ist. Der entsprechende Genome-editierte Mais wird in den USA nicht als gentechnisch veränderter Organismus eingestuft.[14]

Lagertoleranter-Mais (Avidin-Mais)

Mit dem Avidin-Mais wurde im Labor ein transgener Mais entwickelt, der in der Lage ist, das Hühnereiprotein Avidin in Konzentrationen über 100 ppm zu produzieren. Avidin schüzt den Mais bei der Lagerung gegen Schädlingsbefall, da bei Aufnahme des Avidins das Biotin in den Schadinsekten gebunden wird und die Schädlinge an Biotinmangel sterben.[15] Die geringere Biotin-Verfügbarkeit durch die Anwesenheit von Avidin macht aber transgenen Mais als Nahrungspflanzen ungeeignet, so dass keine entsprechende Maissorte für den kommerziellen Anbau entwickelt wurde.[16]

Ethanol-Mais (Amylase-Mais)

Mais wird zunehmend für die Herstellung von Ethanol angebaut (in den USA auf ca. 40 % der Maisanbaufläche).[17] Hierbei wird die pflanzliche Stärke durch Zugabe von Amylasen in Zucker umgewandelt, der dann durch alkoholische Gärung in Bioalkohol umgesetzt wird. Die Firma Syngenta hat die Maissorte Enogen™ entwickelt, die eine hitzestabile bakterielle alpha-Amylase enthält und somit eine effizienteren Stärkeabbau ermöglicht.[18] Da die Befürchtung besteht, dass Enogen-Mais normale Maissorten verunreinigen könnte und so die Maisprodukte qualitativ beeinträchtigt sein könnten, sollen die Farmer mit Syngenta einen Vertrag abschliessen, um eine sichere Ablieferung an die Verabeitungsbetriebe zu gewährleisten.[19]

Mais mit erhöhtem Lysingehalt

Da Mais für die Ernährung von Mensch und Tier relativ wenig Lysin, eine essentielle Aminosäure, enthält, wird mit gentechnischen Methoden versucht, den Gehalt an Lysin zu steigern. In der transgenen Maissorte LY038 (Handelsname MaveraTM) wurde der Gehalt an freiem Lysin erhöht, indem die Lysinsynthese durch das Einbringen eines Gens aus dem Bakterium (Corynebacterium glutamicum) stimuliert wird.[20] MaveraTM ist in den USA seit 2006 für den kommerziellen Anbau als Futtermittel zugelassen,[21] hat sich aber auf dem Markt kaum durchgesetzt.

Mais mit vergrösserten Kolben

Bisher wurden kaum Gv-Pflanzen entwickelt, die eine grössere Biomasse haben. Die Maissorte MON87403 von Monsanto ist die einzige Maissorte, die durch Einbringen eines Gens aus dem Acker-Schmalwand vergrösserte Kolben ausbildet.[22] Sie ist seit 2015 in den USA und Kanada zum Anbau zugelassen.[23] Ob sie sich im kommerziellen Anbau durchsetzt, ist noch unklar.

Trockentoleranter Mais

Bei Bakterien der Art Bacillus subtilis, die extreme Kälte überleben, wurde das cspB-Gen identifiziert, welches auch Pflanzen über Stresssituationen wie Trockenheit) helfen kann.[24] Ein mit diesem cspB-Gen ausgestatteter, trockenresistenter Mais, der gemeinsam von BASF und Monsanto entwickelt wurde, wird als Genuity® DroughtGard™ seit 2011 kommerziell angebaut und ist in der Europäischen Union seit 2015 als Lebens- und Futtermittel zugelassen.[25] Freilandversuche von mehr als 2000 Farmern in dem sogenannten Maisgürtel der USA zeigen eine um etwa 7 % erhöhte Ertragssteigerung.[26] Entsprechende Maissorten sollen lizenzfrei an Landwirte in Afrika abgegeben werden.[27]

Befruchtungskontrolle

Kommerzieller Mais ist vorwiegend eine Hybride aus zwei unterschiedlichen Inzuchtlinien, da diese Hybride aufgrund des Heterosis-Effekts wesentlich bessere Ertragseigenschaften haben. Um reine Hybride zu erhalten, werden männliche Pollenspender mit weiblichen Pollenspendern angepflanzt, wobei eine Selbstbestäubung verhindert werden muss. Da Mais eine einhäusige Pflanze mit weiblichen Kolben und männlichen rispigen Blütenständen ist, kann Selbstbestäubung durch das Enfernen der männlichen Blütenstände bei den Pollenempfängern verhindert werden. Um diese aufwendige manuelle Arbeit zu vermeiden, hat die Firma Bayer männlich-sterilen Mais hergestellt (InVigor™ Maize), indem das Gen, das für eine bakterielle RNase codiert, im Tapetum der Pollensäcke aktiv ist und so die Pollenbildung unterdrückt.[28] Die entsprechenden Hybride sind transgen.

Als alternative hat die Firma Pioneer ein System entwickelt, bei dem die Hybride nicht transgen sind. Hierzu wurde die SPT maintainer-Linie 32138 hergestellt, die homozygot männlich-steril ist. In diese Linie wurden drei Genkonstrukte eingebracht, um die männliche Fertilität reversibel zu steuern.[29] Die resultierenden Hybridlinien enthalten kein Transgen und die SPT maintainer-Linie ist in den USA seit 2011 zum Anbau zugelassen.[14]

  1. ↑ a b ISAAA GM Approval Database: Maize GM Events. Abgerufen am 8. März 2018.
  2. ↑ Abbas, H. K., et al. (2013). "Implications of Bt traits on mycotoxin contamination in maize: Overview and recent experimental results in southern United States." J Agric Food Chem 61(48): 11759-11770.doi:10.1021/jf400754g
  3. ↑ ISAAA: Commercial GM Trait: Herbicide Tolerance. Abgerufen am 12. März 2018.
  4. ↑ a b Bravo, A., et al. (2007). "Mode of action of Bacillus thuringiensis Cry and Cyt toxins and their potential for insect control." Toxicon 49(4): 423-435.doi:10.1016/j.toxicon.2006.11.022
  5. ↑ Icoz, I. and G. Stotzky (2008). "Fate and effects of insect-resistant Bt crops in soil ecosystems." Soil Biology & Biochemistry 40(3): 559-586.doi:10.1016/j.soilbio.2007.11.002
  6. ↑ BVL: Dipel ES. Abgerufen am 12. März 2018.
  7. ↑ Tabashnik, B. E. and Y. Carriere (2017). "Surge in insect resistance to transgenic crops and prospects for sustainability." Nat Biotechnol 35(10): 926-935.doi:10.1038/nbt.3974
  8. ↑ Carriere, Y., et al. (2016). "Can Pyramids and Seed Mixtures Delay Resistance to Bt Crops?" Trends Biotechnol 34(4): 291-302.doi:10.1016/j.tibtech.2015.12.011
  9. ↑ Estruch, J. J., et al. (1996). "Vip3A, a novel Bacillus thuringiensis vegetative insecticidal protein with a wide spectrum of activities against lepidopteran insects." Proc Natl Acad Sci U S A 93(11): 5389-5394.PMID 8643585
  10. ↑ Zhang, J., et al. (2017). "Next-Generation Insect-Resistant Plants: RNAi-Mediated Crop Protection." Trends in Biotechnology 35(9): 871-882.doi:10.1016/j.tibtech.2017.04.009
  11. ↑ Bachman, P. M., et al. (2013). "Characterization of the spectrum of insecticidal activity of a double-stranded RNA with targeted activity against Western Corn Rootworm (Diabrotica virgifera virgifera LeConte)." Transgenic Res 22(6): 1207-1222.doi:10.1007/s11248-013-9716-5
  12. ↑ ISAAA: Gene List, dvsfn7. Abgerufen am 17. März 2018.
  13. ↑ ISAAA: Event Name:BVLA430101. Abgerufen am 17. März 2018.
  14. ↑ a b Waltz, E. (2012). "Tiptoeing around transgenics." Nat Biotechnol. 30(3): 215-217.doi:10.1038/nbt.2143
  15. ↑ Kramer, K. J., et al. (2000). "Transgenic avidin maize is resistant to storage insect pests." Nat Biotechnol 18(6): 670-674.doi:10.1038/76531
  16. ↑ Christeller, J. T., et al. (2010). "The Use of Biotin-Binding Proteins for Insect Control." Journal of Economic Entomology 103(2): 497-508.doi:10.1603/EC09149
  17. ↑ Fraser, E., et al. (2016). "Biotechnology or organic? Extensive or intensive? Global or local? A critical review of potential pathways to resolve the global food crisis." Trends in Food Science & Technology 48: 78-87.doi:10.1016/j.tifs.2015.11.006
  18. ↑ ISAAA: Event Name: 3272. Abgerufen am 19. März 2018.
  19. ↑ Waltz, E. (2011). "Amylase corn sparks worries." Nat Biotechnol. 29(4): 294.doi:doi:10.1038/nbt0411-294
  20. ↑ Ow, D.W. (2007). GM maize from site-specific recombination technology, what next? CurrOpinBiotechnol 18, 115-120.doi:10.1016/j.copbio.2007.02.004
  21. ↑ ISAAA: Event Name: LY038. Abgerufen am 19. März 2018.
  22. ↑ Rice, E. A., et al. (2014). "Expression of a truncated ATHB17 protein in maize increases ear weight at silking." PLoS ONE 9(4): e94238.doi:10.1371/journal.pone.0094238
  23. ↑ ISAAA: GM Events with Increased Ear Biomass. Abgerufen am 18. März 2018.
  24. ↑ Castiglioni, P., et al. (2008). "Bacterial RNA chaperones confer abiotic stress tolerance in plants and improved grain yield in maize under water-limited conditions." Plant Physiol 147(2): 446-455.doi:10.1104/pp.108.118828
  25. ↑ ISAAA: GM Crop Event List/MON87460. Abgerufen am 17. März 2018.
  26. ↑ Waltz, E. (2014). "Beating the heat." Nat Biotechnol 32(7): 610-613.doi:10.1038/nbt.2948
  27. ↑ Eisenstein, M. (2013). "Plant breeding: Discovery in a dry spell." Nature 501(7468): S7-9.doi:10.1038/501S7a
  28. ↑ Mariani, C., De Beuckeleer, M., Truettner, J., Leemans, J. and Goldberg, R.B. (1990) Induction of male sterility in plants by a chimaeric ribonuclease gene. Nature, 347, 737–741.doi:10.1038/347737a0
  29. ↑ Wu, Y., et al. (2016). "Development of a novel recessive genetic male sterility system for hybrid seed production in maize and other cross-pollinating crops." Plant Biotechnol J 14(3): 1046-1054.doi:10.1111/pbi.12477
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