Minichromosom-Technologie – Der beste Weg für nachhaltiges Wachstum der Ernteerträge?

Landwirtschaft als Praxis existiert seit Anbeginn der menschlichen Zivilisation. Im Laufe dieser Zeit wurden sie immer wieder durch neue Technologien bereichert. Infolgedessen ist die Landwirtschaft effizienter, zeitsparender und kostengünstiger geworden. Diese Evolution führte dazu, dass menschliche Arbeit in großem Umfang ersetzt wurde, zunächst durch Tiere und dann durch Maschinen. Auf diesem Wachstumspfad ist eine der neuesten Ergänzungen die Minichromosom-Technologie. 

Was ist Minichromosom-Technologie?

Minichromosomen sind kleine Strukturen, die in Zellen vorkommen. Diese Strukturen – obwohl klein – können große Informationsmengen durch das darin enthaltene genetische Material speichern. 

Diese kleinen Strukturen sind für Agrargenetiker von entscheidender Bedeutung, da sie zur Verbesserung von Pflanzen verwendet werden können, indem sie dem Pflanzenhundertzahl von Merkmalen hinzufügen. Zum Beispiel können sie Pflanzen trockentoleranter oder besser in der Stickstoffnutzung machen. Interessanterweise verändern solche Modifikationen, obwohl sie den Ertrag erheblich steigern können, die Gene einer Pflanze nicht, was zu einer breiteren Akzeptanz bei Regulierungsbehörden und Landwirten führt. 

Während wir in den kommenden Abschnitten die Merkmale und Besonderheiten der Minichromosom-Technologie im Detail betrachten werden, müssen wir zunächst ihre Geschichte kennen, um Zweck und Ziele besser zu verstehen. 

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Die Entstehung der Minichromosom-Technologie kurz zusammengefasst

Die Minichromosom-Technologie, auch als Gen-Stacking bekannt, entstand aus einer Entdeckung von Daphne Preuss, einer der erfolgreichsten Lebensmittel- und Agrarunternehmerinnen der Welt. 

Daphne Preuss, mit Sitz in Sorrento, Maine, USA, hat in ihrer langen und illustren Karriere viele Rollen übernommen. Von November 2006 bis Dezember 2018 war Preuss CEO von Chromatin Inc., das auch als Future Food bekannt ist.

Laut Gregory Copenhaver, der an Preuss’ Projekt gearbeitet hat, bei dem sie ursprünglich mit Arabidopsis thaliana, einer kleinen Senfpflanze, arbeitete: 

„Daphne fand eine Mutation mit Eigenschaften, die es uns ermöglichten, eine genetische Kartierungstechnik für Pflanzen zu entwickeln. Wir entwickelten eine Methode zur Identifizierung des Zentromers, des genauen Chromosomenabschnitts, an dem eine Zelle während der Teilung greift, um sie zu bewegen. Wir konnten herausfinden, wie wir den Zentromer selbst erfassen und ihn für die Arbeit mit anderen Pflanzen nutzen können.“

Dies führte zur Entwicklung der Minichromosom-Technologie. Anschließend gründeten Copenhaver und Preuss das Unternehmen Chromatin Inc. und lizenzierten die Technologie an das Unternehmen. Und dies ist die kurze Geschichte hinter der Entstehung der Minichromosom-Technologie. 

Mit diesen Informationen in der Hand ist die nächste, ganz offensichtliche Frage, warum die Minichromosom-Technologie an Schwung gewonnen hat. Es muss zu dieser Zeit weitere ähnliche Forschungen gegeben haben, die die Nutzung von Pflanzengenetik zur Steigerung von Ertrag und Produktionsvolumen von Nutzpflanzen in Betracht zogen. Copenhaver hatte eine Antwort darauf. 

Was machte die Minichromosom-Technologie besonders?

Laut Copenhaver war bereits bekannt, wie man Pflanzen durch Einfügen von Genen in ihre Chromosomen verändert. Allerdings litten die seit Jahrzehnten bestehenden Technologien unter Zufälligkeit. Es gab keine Gewissheit über das Ergebnis. 

Selbst wenn das Gen in ein bestehendes Chromosom eingefügt werden könnte, könnte die Einfügeposition seine Funktionsweise beeinflussen. Der Prozess birgt zudem das Risiko, andere Gene während des Einfügens zu stören.

Diese Unsicherheit führte dazu, dass bestehende Prozesse umständlich und schwer durchführbar wurden. Nach der Arbeit mit Tausenden von Pflanzen konnten Forscher nur in einer begrenzten Anzahl von Fällen erfolgreich sein, bei denen die Veränderung die gewünschten Ergebnisse lieferte.

Die Minichromosom-Technologie brachte Sicherheit in den Prozess. Laut Copenhaver machte der Prozess es „einfacher, Merkmale weiterzugeben.“ Sie machte die neue Pflanzenzüchtung „schneller, besser, günstiger und vorhersehbarer.“

Wie weit hat sich die Minichromosom-Technologie entwickelt?

Die Forschung an der Minichromosom-Technologie hat bisher viele aufschlussreiche Erkenntnisse hervorgebracht. Zum Beispiel besitzen Minichromosomen keine eigenen Gene. Diese Eigenschaft – zusammen mit ihrer geringen Größe – ermöglicht es Minichromosomen, als Supervektoren zur Expression fremder Gene zu fungieren. Vorteilhaft ist, dass sie dabei die Wachstums- und Entwicklungsmuster des Wirtsminimal beeinträchtigen. 

Die Minichromosomen bleiben während der Mitose und Meiose stabil. Diese Eigenschaft ermöglicht es den darin befindlichen Genen, sich von Zelle zu Zelle und von einer Generation zur nächsten zu exprimieren und zu übertragen. Das Hinzufügen, Löschen und Ersetzen von Genen in Minichromosomen ist einfach. Alles, was dafür benötigt wird, ist ein SSR‑System: Simple Sequence Repeat. 

Die Minichromosom-Technologie – wie sie heute steht – ist für unsere landwirtschaftlichen Praktiken in mehrfacher Hinsicht hilfreich. Sie kann dabei helfen, Pflanzengene zu entwickeln, die herbizid‑tolerant und schädlingsresistent sind. 

• Der erste Gen‑Typ erleichtert die Unkrautbekämpfung. 
• Der zweite Typ reduziert den Bedarf an Pestiziden, senkt die landwirtschaftlichen Kosten und macht die Pflanzen gesünder. 

Darüber hinaus bereitet diese Technologie den Boden für eine effektivere Gentechnik an Nutzpflanzen vor, sodass deren Ertrag steigt. Sie hat das Potenzial, mehr Pflanzen mit derselben Menge an natürlichen Ressourcen anzubauen. 

Die Entwicklung von künstlicher Chromosom-Technologie und effektiven Genassemblierungsmethoden, um Genome vorausschauend zu zielen und zu editieren, ist durch kontinuierliche Innovationen in der Minichromosom-Technologie möglich.

Aber warum müssen wir den Ertrag steigern, während die Kosten und der Ressourceneinsatz gleich bleiben oder idealerweise sinken? Das liegt daran, dass die Weltbevölkerung wächst und das verfügbare Anbaugebiet nicht erweitert werden kann. Dieses Ungleichgewicht von Angebot und Nachfrage ist der Bereich, in dem ertragssteigernde Technologien wie Minichromosomen Abhilfe schaffen. 

Die globale Nachfrage nach Lebensmitteln wird steigen

Laut dem Zusammenfassungsbericht der Food and Agriculture Organization der Vereinten Nationen könnte die Weltbevölkerung zwischen 2009 und 2050 um mehr als ein Drittel, also 2,3 Milliarden Menschen, wachsen. Dies würde zu einer enormen Nachfrage nach Lebensmitteln führen. 

Zum Beispiel könnte die Nachfrage nach Getreide, sowohl für Lebensmittel als auch für Tierfutter, bis 2050 etwa 3 Milliarden Tonnen erreichen. Der Bericht schätzt zudem, dass die Ernährung einer globalen Bevölkerung von 9,1 Milliarden Menschen im Jahr 2050 eine Steigerung der gesamten Lebensmittelproduktion um fast 70 Prozent zwischen 2005/07 und 2050 erfordern würde. In Entwicklungsländern sollte das Wachstum fast 100 Prozent betragen.

Die FAO ist der Ansicht, dass diese Ziele nur durch den Einsatz ertragssteigernder Technologien erreicht werden können. Sie stellt klar, dass bis zu 90 Prozent des Wachstums der Pflanzenproduktion aus höheren Erträgen und einer intensiveren Bewirtschaftung stammen müssen, während der Rest aus einer Flächenausweitung resultiert.

Während die Steigerung der Effizienz der Pflanzenproduktion und der Ertragsrate Realität ist, besteht zudem die Notwendigkeit, Pflanzen widerstandsfähig gegen unvorhersehbares Wetter zu machen, das als Nebenprodukt des globalen Klimawandels entsteht.

Wir haben bereits gesehen, dass die Minichromosom-Technologie bei der Herstellung dürreresistenter Pflanzen hilft. Um solche Pflanzen jedoch in größerem Maßstab zu produzieren, benötigt die Welt immer mehr Investitionen von Regierungen sowie großen multinationalen Unternehmen. Das Gute ist, dass solche Beispiele bereits existieren.

Wenn wir der Spur von Chromatin Inc., die mit seiner Entdeckung erschaffen wurde, folgen, würden wir sehen, dass viele große globale Unternehmen seit mehreren Jahren Interesse an seiner Technologie gezeigt haben. Zuerst betrachten wir diese Interessensbekundungen und dann werden wir tiefer in diese Unternehmen eintauchen, um die relevanten Lösungen zu verstehen, die sie in diesem Bereich haben könnten.  

• Im Jahr 2007 gewährte Chromatin Syngenta Biology Inc. eine nicht‑exklusive Lizenz zur Nutzung der Technologie für Mais und Sojabohnen.
• Nach Syngenta schloss das Unternehmen zudem eine Vereinbarung mit Dow AgroSciences für Forschungen zur Kombination seiner Minichromosom‑Technologie mit der Technologie von Dow.
• Es unterzeichnete außerdem eine Vereinbarung mit Bayer Crop‑Science, um die Technologie in seinen Baumwollpflanzen zu verwenden.

Wir werden nun die relevanten ertragssteigernden Entwicklungen betrachten, die diese drei multinationale Unternehmen bis dahin erfolgreich umgesetzt haben.

1. Syngenta Biology Inc.

Syngenta hat die Entwicklung von Nutzpflanzen mit Saatgutmerkmal‑Technologien, die effizienter sind, fortgesetzt. Der Trait‑Conversion‑Accelerator von Syngenta hat Maissämlinge eingeführt, die modernste Technologien nutzen, um schnell marktreif zu werden. 

Während es weiterhin Technologien wie das Minichromosom integriert hat, hat es intensiv daran gearbeitet, die Bereiche Molekularbiologie, Biochemie, Pflanzen‑Transformation und angewandte Genomik voranzubringen. Seine Produkte, wie Agrisure Artesian, Agrisure Duracade, Agrisure Viptera und Enogen, bieten glaubwürdige Saatgut‑Technologielösungen, um Landwirten zu helfen, ihre Erträge vor unvorhersehbaren Regenfällen sowie zerstörerischen Insekten und Schädlingen zu schützen.

Am 9. November 2023 gab die Syngenta Group ihre Finanzergebnisse für die ersten neun Monate und das dritte Quartal 2023 bekannt. Der Umsatz für die ersten neun Monate 2023 betrug 24,3 Mrd. US‑$, ein Rückgang von 6 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Das EBITDA war im Vergleich zu 2022 um 22 Prozent niedriger.  

2. Dow AgroSciences

Die Dow Corporation bietet eine Reihe von Pflanzenslösungen, die darauf abzielen, das Pflanzenwachstum zu optimieren und gleichzeitig den Ressourcenverbrauch zu minimieren. Dow stellt sicher, dass seine Lösungen den Ertragsverlust verringern, indem sie Pflanzen vor Insekten, Unkraut und Krankheiten schützen. Außerdem liefert sie eine effiziente Verteilung von Nährstoffen und Wasser und ermöglicht die Synthese von Pestiziden aus zuverlässigen Bausteinen. 

Dow veröffentlichte seine Ergebnisse des dritten Quartals 2023 am 24. Oktober 2023. Das Unternehmen verzeichnete Nettoumsätze von 10,7 Mrd. US‑$, ein Rückgang von 24 % gegenüber dem Vorjahreszeitraum. Der GAAP‑Gewinn je Aktie betrug 0,42 US‑$, während der operative Gewinn je Aktie (EPS) 0,48 US‑$ betrug, verglichen mit 1,11 US‑$ im Vorjahreszeitraum und 0,75 US‑$ im vorherigen Quartal.

3. Bayer Crop Science

Bayer Crop Sciences, Teil von Bayer Global, konzentriert sich auf Innovationen rund um Saatgut, Merkmale und Pflanzenschutz. Seine Innovationen haben den Biotechnologie‑Wissenschaftlern geholfen, gezielte Verbesserungen im pflanzlichen DNA zu erzielen. Seine Lösungen helfen, Unkraut durch integrierte Herbizidtoleranz zu kontrollieren und unterstützen Landwirte dabei, das genetische Potenzial ihres Saatguts zu bewahren, während sie effizienter mit deutlich reduziertem Umwelteinfluss anbauen.

Laut Bayer sind die Vorteile des Pflanzenschutzes enorm. Der Pflanzenschutzmechanismus sichert etwa 30 Prozent der Erträge weltweit, was 550 Millionen Tonnen Nahrung entspricht, die mehr als 2 Milliarden Menschen ernähren könnten. 

Das Spektrum der Pflanzenschutzlösungen von Bayer umfasst Herbizide, Fungizide und Insektizide. Alle Lösungen basieren auf modernster Chemie, biologischen Innovationen und datenbasierten Feld‑Insights. Die präzise Anwendung seiner Technologien führt zu hochentwickelten Saatgütern und Merkmalen. 

Im Geschäftsjahr 2022 verzeichnete die Bayer‑Gruppe einen Konzernumsatz von 50,739 Mrd. Euro, ein Anstieg von 8,7 Prozent auf Währungs‑ und Portfoliobasis. Das EBITDA vor Sonderposten stieg um 20,9 Prozent auf 13,513 Mrd. Euro.

Die Zukunft der Minichromosom-Technologie

Wachsende Bevölkerung, unvorhersehbares Klima und das Fehlen von Möglichkeiten zur Erweiterung der Ackerfläche weltweit sind Faktoren, die den Bedarf an immer fortschrittlicheren Technologien zur Pflanzenproduktion wie Minichromosomen erhöhen. Der vielversprechendste Aspekt der Minichromosom-Technologie ist, dass sie den Weg für immer mehr ähnliche Technologien ebnet.

Verfügbare Forschung zeigt, dass effiziente genetische Veränderungen einer Pflanze helfen können, trotz widriger Bedingungen besser zu wachsen. Zum Beispiel haben sich die Maiserträge um 10 % erhöht. Nicht nur die Produktion ist gestiegen, sondern diese Maisarten sind zudem besser geworden, mit höherer Dürre‑toleranz, höherem Lysin‑Gehalt und gesteigerter Ethanol‑Produktionsfähigkeit. 

Gentechnologie, aufgebaut auf Technologien wie Minichromosomen, kann die Kartoffelfäule bekämpfen und gleichzeitig den Einsatz chemischer Fungizide um bis zu 90 % reduzieren. Nicht nur hat der Kartoffelanbau jetzt weniger Umweltauswirkungen, sondern das Produkt weist deutlich weniger Prellungen und schwarze Flecken auf. Die Lagerfähigkeit dieser Kartoffeln hat sich erhöht, und der geringere Chemikalieneinsatz bei ihrer Herstellung macht sie weniger gesundheitsschädlich.

Nicht nur Mais und Kartoffeln, sondern die Minichromosom‑Technologie verbessert auch die Produktion von arktischen Äpfeln, Papayavarianten auf Hawaii, Sommerkürbissen und Zucchini. Sie hat dazu beigetragen, Früchte vor dem Braunwerden zu schützen, während ihr Nährwert und Geschmack erhalten bleiben. Sie erwies sich als wirksam gegen Ringspot‑Virus, Gelbmosaik‑Virus und viele andere ähnlich schädliche Varianten. Sie hat sogar zur Entwicklung von Sojaölen beigetragen, die keinerlei Transfette enthalten, die für unsere Herzgesundheit schädlich sind.

Insgesamt kommt das wachsende Interesse an innovativen landwirtschaftlichen Techniken wie Minichromosomen zu einem Zeitpunkt, an dem die Steigerung der Ertragsraten weltweit Priorität hat – und das noch nachhaltiger mit geringerem CO₂‑Fußabdruck. Genau hier glänzt die Minichromosom‑Technologie am hellsten, da sie beide Ziele deutlich unterstützt. Daher kann man vernünftigerweise erwarten, dass in den kommenden Tagen mehr Investitionen und Forschungsgelder in diesem Bereich fließen.

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