Pocket K Nr. 14: Gewebekulturtechnologie

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So wie jeder Mensch anders und einzigartig ist, so ist auch jede Pflanze. Einige haben Eigenschaften wie bessere Farbe, Ertrag oder Schädlingsresistenz. Seit Jahren suchen Wissenschaftler nach Methoden, mit denen sie exakte Kopien dieser überlegenen Individuen herstellen können.

Pflanzen vermehren sich normalerweise, indem sie Samen durch sexuelle Fortpflanzung bilden. Das heißt, Eizellen in den Blüten werden durch Pollen aus den Staubblättern der Pflanzen befruchtet. Jede dieser Geschlechtszellen enthält genetisches Material in Form von DNA. Während der sexuellen Fortpflanzung wird die DNA beider Elternteile auf neue und unvorhersehbare Weise kombiniert, wodurch einzigartige Pflanzen entstehen.

Diese Unvorhersehbarkeit ist ein Problem für Pflanzenzüchter, da es mehrere Jahre sorgfältiger Gewächshausarbeit dauern kann, um eine Pflanze mit wünschenswerten Eigenschaften zu züchten. Viele von uns denken, dass alle Pflanzen aus Samen wachsen. Forscher haben jedoch jetzt mehrere Methoden entwickelt, um exakte Kopien von Pflanzen ohne Samen zu züchten. Und sie tun dies jetzt durch eine Methode namens „Gewebekultur“.

Was ist Gewebekultur?

Gewebekultur (TC) ist die Kultivierung von Pflanzenzellen, Geweben oder Organen auf speziell formulierten Nährmedien. Unter den richtigen Bedingungen kann eine ganze Pflanze aus einer einzigen Zelle regeneriert werden. Pflanzengewebekultur ist eine Technik, die es seit mehr als 30 Jahren gibt. Die Gewebekultur wird als wichtige Technologie für Entwicklungsländer zur Herstellung von krankheitsfreiem, hochwertigem Pflanzmaterial und zur schnellen Produktion vieler einheitlicher Pflanzen angesehen.

Die Mikropropagation, eine Form der Gewebekultur, erhöht die Menge an Pflanzmaterial, um die Verteilung und das Pflanzen in großem Maßstab zu erleichtern. Auf diese Weise können Tausende von Kopien einer Pflanze in kurzer Zeit hergestellt werden. Es wird beobachtet, dass sich mikropropagierte Pflanzen schneller etablieren, kräftiger wachsen und höher sind, einen kürzeren und gleichmäßigeren Produktionszyklus haben und höhere Erträge erzielen als herkömmliche Vermehrungen.

Pflanzengewebekultur ist eine unkomplizierte Technik, die viele Entwicklungsländer bereits beherrschen. Seine Anwendung erfordert nur einen sterilen Arbeitsplatz, Kindergarten und Gewächshaus und geschulte Arbeitskräfte. Leider ist die Gewebekultur arbeitsintensiv, zeitaufwändig und kann kostspielig sein. Pflanzen, die für Entwicklungsländer wichtig sind und in Gewebekultur angebaut wurden, sind Ölpalme, Wegerich, Kiefer, Banane, Dattel, Aubergine, Jojoba, Ananas, Gummibaum, Maniok, Yamswurzel, Süßkartoffel und Tomate. Diese Anwendung ist die am häufigsten angewandte Form der traditionellen Biotechnologie in Afrika.

Verwendung der TC-Technologie in Asien

  • Die Gewebekultur wurde verfeinert, um den Bedürfnissen von Orchideenarten und Hybriden gerecht zu werden, von denen bekannt ist, dass sie in Südostasien gut wachsen. Nach den Erfahrungen Thailands, Singapurs und Malaysias zu urteilen, ist der Zier- und Schnittblumenhandel eine wesentliche Devisenquelle und ein zusätzliches Einkommen für kleine Züchter.
  • In Thailand wird Gewebekultur verwendet, um langsam wachsende und umweltsensible Orchideen zu reproduzieren. Thailand ist führend in der Gewebekultur in Südostasien und produziert jährlich 50 Millionen Pflänzchen. Die meisten davon sind Orchideen, die dem Land geholfen haben, der größte Exporteur von ganzen und geschnittenen Orchideen in der Welt zu werden.
  • Micropagation durch Sprosskulturtechnik wurde für die Massenvermehrung von Bananen entwickelt. Auf den Philippinen wird dies als Kontrollansatz für Viruserkrankungen in Bananen wie dem Banana Bunchy Top Virus (BBTV) und dem Banana Bract Mosaic Virus (BBrMV) verwendet, die häufig durch Vermehrungsmaterial verbreitet werden.

Vorteile der TC-Technologie für kleine Bananenproduzenten in Kenia (Quelle: ISAACS)

In Kenia, wie in vielen Teilen der tropischen und subtropischen Entwicklungsländer, ist Banane eine sehr wichtige Nahrungspflanze. In den letzten 20 Jahren gab es jedoch einen rapiden Rückgang der Bananenproduktion aufgrund der weit verbreiteten Bodendegradation und des Befalls von Bananenplantagen mit Schädlingen und Krankheiten. Diese Probleme wurden durch die gängige Praxis, neue Bananenpflanzen mit infizierten Saugnäpfen zu vermehren, noch verschärft. Die Situation bedrohte die Ernährungssicherheit, die Beschäftigung und die Einkommen in den Bananenanbaugebieten. Die Gewebekulturtechnologie wurde als geeignete Option angesehen, um eine ausreichende Qualität und Quantität solcher Materialien bereitzustellen.

Bei ordnungsgemäßer Bewirtschaftung und Feldehygiene konnten die durch Schädlinge und Krankheiten verursachten Ertragsverluste auf Betriebsebene erheblich verringert werden. Die Gewebekulturtechnologie hat es Landwirten ermöglicht, Zugang zu Folgendem zu haben:

  • große Mengen von überlegenen sauberen Pflanzmaterialien, die früh reifen (12-16 Monate im Vergleich zur herkömmlichen Banane von 2-3 Jahren)
  • größere Bündelgewichte (30-45 kg im Vergleich zu den 10-15 kg aus herkömmlichem Material)
  • höherer Jahresertrag pro Landeinheit (40-60 Tonnen pro Hektar gegenüber 15-20 Tonnen, die zuvor mit herkömmlichem Material realisiert wurden

Darüber hinaus erleichterte die einheitliche Einrichtung von Obstgärten und die gleichzeitige Entwicklung von Plantagen die Koordinierung des Marketings. Es bot auch die Möglichkeit, den Bananenanbau von einem reinen Existenzminimum in ein kommerzielles Unternehmen umzuwandeln. Eine ermutigende Erkenntnis aus einer Kosten-Nutzen-Analyse des Projekts ist, dass die TC-Bananenproduktion als Unternehmen rentabler ist als die traditionelle Bananenproduktion. Das Projekt kam auch hauptsächlich Frauen zugute, die die Ernte anbauen, und trug so dazu bei, die Kluft zwischen den Geschlechtern zu verringern.

Vorteile der TC-Technologie für Reisbauern in Westafrika (Quelle: WARDA)

Jahrelang träumten Wissenschaftler davon, die Robustheit der afrikanischen Reisart (Oryza glaberrima) mit der Produktivität der asiatischen Art (Oryza sativa) zu verbinden. Aber die beiden sind so unterschiedlich. Versuche, sie zu kreuzen, scheiterten, da die resultierenden Nachkommen alle steril waren. In den 1990er Jahren wandten sich Reiszüchter der West Africa Rice Development Association (WARDA) der Biotechnologie zu, um die Unfruchtbarkeitsprobleme zu überwinden. Der Schlüssel zu den Bemühungen waren Genbanken, die Samen von 1.500 afrikanischen Reis halten – die vom Aussterben bedroht sind, da die Landwirte sie bereits für ertragreichere asiatische Sorten aufgegeben haben.

Fortschritte in der Agrarforschung halfen Wissenschaftlern, diese beiden Arten zu kreuzen. Nach der Kreuzbefruchtung der beiden Arten, Embryonen wurden entfernt und auf künstlichen Medien unter Verwendung eines als „Embryo-Rettung“ bekannten Verfahrens gezüchtet.“ Da die resultierenden Pflanzen häufig fast steril sind, wurden sie, wann immer möglich, mit dem Sativa-Elternteil neu gekreuzt (bekannt als Rückkreuzung). Sobald die Fruchtbarkeit der Nachkommen verbessert wurde (oft nach mehreren Zyklen der Rückkreuzung), wurde eine Antherkultur verwendet, um das Genkomplement der männlichen Geschlechtszellen (Antheren) zu verdoppeln und so echte Zuchtpflanzen zu produzieren.

Das erste der neuen Reissorten mit dem Namen ‚New Rice for Africa‘ (oder NERICA) stand 1994 zum Testen zur Verfügung und seitdem wurden viele neue Linien generiert. Einige der neuen Pflanzen kombinierten Ertragsmerkmale der Sativa-Eltern mit lokalen Anpassungsmerkmalen von Glaberrima.

Im Allgemeinen haben NERICAs die folgenden Eigenschaften:

  • breite und hängende Blätter, die Unkraut in frühem Wachstum ersticken
  • Rispen oder Getreideköpfe, die länger mit gegabelten Zweigen sind und bis zu 400 Körner halten
  • mehr Pflüger mit starken Stielen, um die schweren Getreideköpfe zu stützen und festzuhalten
  • Reiserträge bis zu 2.5 tonnen pro Hektar bei niedrigen Inputs — und 5 Tonnen oder mehr mit nur einem minimalen Anstieg des Düngemitteleinsatzes (entspricht etwa 25% bis 250% Produktionssteigerung)
  • reift 30 bis 50 Tage früher als aktuelle Sorten, so dass Landwirte zusätzliche Gemüse— oder Hülsenfrüchte anbauen können
  • höher als die meisten Reissorten und widersteht Schädlingen und verträgt Trockenheit besser
  • wächst gut auf unfruchtbaren und sauren Böden – die 70% der westafrikanischen Hochlandreisgebiet
  • haben 2% mehr Bodybuilding-Protein als ihre afrikanischen oder asiatischen Eltern

Aufgrund ihres Erfolgs wurden NERICAs schnell von Landwirten übernommen. Im Jahr 2000 umfassten die neuen Reisarten schätzungsweise 8.000 ha in Guinea, von denen 5.000 ha von 20.000 Landwirten unter der Aufsicht der National Extension Agency angebaut wurden. Im Jahr 2002 prognostizierte WARDA, dass 330.000 ha nach NERICAs gepflanzt werden würden – was ausreicht, um den eigenen Saatgutbedarf des Landes mit Überschüssen für den Export in die Nachbarländer zu decken.

Glossar

Anthere : Männliche Fortpflanzungsstruktur, in der Pollen gebildet und gelagert werden.

Apikales Meristem : die Spitzen von Wurzeln oder Stängeln, aus denen neue Zellen gebildet werden.

DNA : Ein Molekül, das in Zellen von Organismen vorkommt, in denen genetische Informationen gespeichert sind.

Embryonenrettung : Eine Sequenz von Gewebekulturtechniken, die es einem befruchteten unreifen Embryo, der aus einer interspezifischen Kreuzung resultiert, ermöglichen, Wachstum und Entwicklung fortzusetzen, bis er zu einer erwachsenen Pflanze regeneriert werden kann.

Staubblatt : Männliche Blütenteile mit Pollen, Antheren, Filamenten.

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  4. Internationaler Service für den Erwerb von Agri-Biotech-Anwendungen (ISAAA). http://www.isaaa.org
  5. Philippinische Zeitung, 1994.
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  8. Westafrika Reis Development Association (WARDA) http://www.warda.cgiar.org

* November 2006