Weizen

Weizen / Wheat  (Triticum aestivum)


Weizen

Sehr viele essbare Pflanzen stehen als Nahrungsquellen zur Verfügung, aber quasi nur acht Hauptnutzpflanzen - Weizen, Mais, Reis, Gerste, Kartoffeln, Süßkartoffeln, Sojabohnen und Maniok - ernähren die Weltbevölkerung. Weizen (Sommer- bzw. Winterweizen) wird in sehr vielen Regionen der Erde angebaut. Triticum aestivum ist weltweit die am meisten angebaute Weizenvarietät (95%) und der Rest verteilt sich auf Hartweizen (T. urgidum ssp durum) und Nacktweizen (T. polonicum). Hauptproduzenten von Weizen sind China, Indien, Russland, die EU-Staaten und die USA. 2014/2015 betrug die Welternte 736,9 Mill. Tonnen. Unter den EU-Staaten sind Frankreich, Deutschland, Großbritannien, Polen und Italien die Hauptproduzenten.

Das Weizengenom ist bislang aufgrund seiner enormen Größe noch nicht gänzlich  aufgeklärt. Die Arbeiten zur Sequenzierung des Weizengenoms  werden u.a. in einem europäischen Forschungsprojekt (IWGSC) koordiniert. Triticum aestivum ist hexaploid. Er besitzt drei doppelte Chromosomensätze (AA, BB, DD), die aus dem wilden Einkorn und letztlich zwei Wildgräsern stammen. Weizengenom enthält 42 Chromosomen und ist mit 16.000 Mbp das größte unter allen Getreidearten (z.B. Reis 430 Mbp, Mais 2600 Mbp). 94000 - 96000  Gene werden im Weizen vermutet. Bereits die Größe des Genoms macht genetische und gentechnische Eingriffe beim Weizen schwierig. Interessante Eigenschaften wie z.B. Pilzresistenz, Grannen-, Spelzenformen, usw. konnten aber bereits auf den Chromosomen lokalisiert und teilweise sequenziert werden.

  IWGSC: Overview of International Wheat Genome Sequencing Consortium
      Activities
  Analysis of the bread wheat genome using whole genome shotgun sequencing
  Hong-Qing Ling et al. (2013), Draft genome of the wheat A-genome progenitor
     Triticum urartu .Nature 496, 87–90
WheatGenome.info: An integrated database and portal for wheat genome information

Weizen-Stammbaum
Erntemengen der Hauptproduzenten
            Erntemengen in den EU-Staaten




Identification of genes that promote awnedness in the Triticum aestivum /Aegilops umbellulata introgressive line
Altered Gene Expression Profiles of Wheat Genotypes against Fusarium Head Blight

Forschungsziele bei gentechnische Veränderungen

Beim Weizen unterscheiden sich die Ziele gentechnischer Veränderungen nicht grundlegend von denen bei anderen Pflanzenvarietäten. Herbizidtoleranz und Schädlingsresistenz standen bislang im Vordergrund. Gegenwärtig werden aber neue Ziele verfolgt: Qualitätsverbesserungen und Toleranzen gegenüber klimatische Stressfaktoren, wie Trockenheit, Kälte oder gegenüber pilzlichen und viralen Erkrankungen.

Australien

Schwerpunkte der Forschungen sind Toleranzen gegen Trockenheit, häufig verbunden mit einer Salztoleranz. Bereits 2007 wurden 30 Weizenvarietäten mit transferierten Gene für eine Trockentoleranz aus sehr unterschiedlichen Organismen im Freiland getestet und entsprechend der Versuchsergebnisse weiter optimiert. Fast bis zur Zulassungsreife ist ein Salz-toleranter Weizen mit dem NAX 2–Gen aus dem Nacktweizen T. monococcum. Diese Toleranz ist  mit einer Ertragsteigerung von durchschnittlich 25% verbunden.

Überblick zu Forschungsvorhaben und Freisetzungen:
GM wheat field-trial approvals - Regulating gene technology in Australia

Genehmigungen für Freisetzungen seit 2004: 12

China  

Nur wenige zuverlässige oder publizierte Daten liegen vor. Bekannt ist, dass die chinesische Regierung (2012/2013) die Akademie der Wissenschaften angewiesen hat, ihre Aktivitäten zur Entwicklung von gv-Pflanzen zu verstärken. Dies wurde nun auch in dem Innovationplan für "GM Crops (2016-2020) " bestärkt. Motivation war nicht allein das Ziel einer Produktionssteigerung von Nahrungsmittel sondern auch das Bestreben nach Unabhängigkeit von Importen und in der Forschung. Die Übernahme des schweizerischen Saatgutunternehmens »Syngenta« würde dem Ziel näher kommen.

Geforscht werden an der Vermittlung von Resistenzen gegenüber Erkrankungen (YMV-Virus-, Mehltau-Resistenz, Ährenschorf), zur Verbesserung der Qualität, zu Toleranzen gegenüber abiotischen Stress, zur Insektenresistenz, Ertragssteigerung und sprossungstoleranten Weizen.

Xia L. et al. (2012) : GM wheat development in China: Current status and challenges to commercialization. Journal of Experimental Botany 63, 1785–1790, doi:10.1093/jxberr342

Yu X.D. et al. (2010): Wheat transformation technology and its applications. Scientia Agricultura Sinica 43, 1539-1553

China: UNtersuchungen zu GVO-Weizen
Forschungen an gv-Weizen in China
nach Yu et al. (2010)

Europäische Union (EU)

Forschungsprojekte in der Europäischen Union mit Freisetzungen.

        2013    Reduzierung der Zölikakie-Toxizität
                   Spanien: Instituto de Agriculture Sostenible

        2012    Proteinqualität – Kornertragssteigerung
                       Deutschland: IPK Gatersleben

        2011    Alarmpheromon – Blattläuse
                      England: Rothemsted Research Institute

       2008    Pilzrestistenz – Stinkbrand (Tilletia caries)
                      Deutschland: Universität Rostock

                  Pilzresistenz - Rotbrand
                     Ungarn: Cereal Research

       2006    Proteinqualität
                     Deutschland: IPK Gatersleben

       2004    Fusarium-Resistenz
                     Deutschland: Syngenta

Syngenta hat aufgrund der
ständigen Feldzerstörungen die Forschungen zur Fusarium-Resistenz zumindest in Deutschland beendet.

2000 – 2005 BMBF Leitprojekt zur Reduzierung der Zöliakie-Toxizität
                  •   Isolierung von Genen für Weizen-Glutenine und Expression in
                      Saccharomyces cerevisiae
                  •   Transfer von Genen für Weizen-Glutenine auf Mais
                  •   Prüfung der aus gv-Hefe und gv-Mais gewonnenen Glutenine auf ihre
                      Zöliakie-Toxizität

► 
Genehmigungen für Freisetzungen: 36

Blattlausbekämpfung an GVO-Weizen
  Repellent Weizen-Alarmpheromon
    Freisetzung des Pheromons
    E(ß)-Farnesen zieht Frassfeinde von
    Blattläuse an.
    Labor/Gewächshaus: Effekt sehr
    überzeugend
    Freiland: Effekt nicht gegeben
Freisetzungen von gv-Weizen (GVO) in der der EU
Anträge zur Genehmigung auf Freisetzungen
Die Freisetzung des GVO kann an mehreren Standorten stattgefunden haben.

Schweiz

2016  Erhöhtes Ertragspotenzial (B/CH16/01(16001)
         Institut für Nachhaltigkeitswissenschaften, Agroscope
         Freisetzungszeitraum: 2016 - 2022

2013  Verbesserte Mehltauresistenz (b/CH13/01/(b13001)
          Institut für Pflanzenbiologie, Universität Zürich
          Freisetzungszeitraum: 2014 - 2018

2007  Pilz-Resistenz (B/CH/004(B07004)
  Institut für Pflanzenbiologie, Universität Zürich
          Freisetzungszeitraum: 2008 – 2010

2007  Mehltau-Resistenz (B/CH07/002 (B02/002)
  Institut für Pflanzenbiologie, Universität Zürich
  Freisetzungszeitraum: 2008 - 2010

2007  Pilz-Resistenz (B/CH/07/001(B07001)
  Institut für Pflanzenbiologie, ETH Zürich
  Freisetzungszeitraum: 2008 - 2011

2003  Pilz-Resistenz (Stinkbrand) (B7CH/00/003(B00003)
  Institut für Pflanzenbiologie, ETH Zürich
  Freisetzungszeitraum: 2004 - 2005

►  Anträge auf Freisetzungen: 6
Foto: Art
Weizenrost -pilzliche Erkrankung
Grundlagenforschung: "Es ist nicht unser Ziel, eine marktfähigfe mehltauresistente Weizensorte zu erhalten"                                 Prof. Dr. C.Satter

Unspezifische Resistenz durch Hydrolyse der Pilz-Zellwände (B07001)
Transfer:

  • Gene kodierend für ß-1,3-Glucanase und 26kDa-Chitinase aus Gerste
  • Pm3b-Gen aus Weizen, Resistenz gegen Mehltau
  • Markergene: bar-Gen,. manA-Gen aus E. coli
► Die Resisistenz transgener Weizenlinien gegen
    Pilzkrankheiten im Feldeversuch

Vereinigte Staaten von Amerika (USA)

1994 – 2004 Freisetzungen (256) zur Sicherheitsbewertung von Roundup-
             ReadyTM-Weizen (RR-Weizen, Monsanto) und zur Einkreuzung des
             Genkonstrukts in regional angepasste konventionelle Weizensorten

2004     Monsant zieht Antrag auf Zulassung von RR-Weizen MON 71800 zurück

2003 - 2009 Einstellung (weitgehend) der Freisetzungen von RR-Weizen

2007    Syngenta beendet Forschungsarbeiten zu Fusarium-Resistenz

2007 – 2015 Trockentoleranz
            (9) 0,8 – 4 ha 

2010 – 2016 Trockentoleranz verbunden mit Ertragssteigerung
           (9), 0,4 – 8 ha

2010 - 2011 Fusarium-Resistenz Ährenfurariose (Syngenta)
  (1) 5,6 ha

2013 – 2014 Pilz-Resitenz
           (2), 40 ha

2005 – 2013 Qualität (5)

2012 – 2013 Zöliakie-Toxizität (2)

2013 – 2014 Insektenresistenz
            (3), 32 – 40 ha

►  Anträge auf Freisetzungen: 584 

Pilz-Erkrankungen:

  Schumann, GL and K.J. Leonard. KJ. (2000):
Stem rust of wheat (black rust).
    The Plant Health Instructor. DOI: 10.1094/PHI-I-2000-0721-01
  Fusarium Head Blight of Barley and Wheat
  Altered Gene Expression Profiles of Wheat Genotypes against Fusarium Head Blight
Forschungen an gv-Weizen (GVO) in den USA
Atlas zu pilzlichen Erkrankungen beim Weizen
                  Wheat Rusts
        An Atlas of Resistance Gene
McIntosh RA, Wellings CR and Park RF. (1995)
► CSIRO Cataloguing-in-Publication Entry
ISBN 0 643 05428 6.

Rostpilze

Klimawandel

Der Klimawandel ist eine der großen Herausforderungen für die Zukunft der Landwirtschaft. Forschungen zur Trocken- und Salztoleranz werden in vielen Staaten rund um den Globus durchgeführt. Besondere Aktivitäten in Ägypten, Algerien, Syrien und Saudi-Arabien. Saudi-Arabien hat aufgrund der Klimabedingungen und der notwendigen Bewässerung den kommerziellen Abbau von Weizen eingestellt.

   Egyptian scientists produce drought tolerant GM wheat: The researchers, at Cairo's Agricultural Genetic Engineering Research
      Institute (AGERI) have produced drought-tolerant wheat by transferring a gene from barley into a local wheat variety.

 ►  Barakat MN et al. (2010): Morphological and molecular characterization of Saudi wheat genotypes under drought stress.
     J Food Agric Environ, 8, 220-228

 ►  Budak H., Kantar M., Kutoglu K.Y. (2013):
Drought Tolerance in Modern and Wild Wheat. The Scientific World Journal,
     Article ID 548246, Hindawi Publishing Corporation http://dx.doi.org/10.1155/2013/548246
 

Weltweit sind keine gv-Weizen-Varietäten zum kommerziellen Anbau bzw. zum Inverkehrbringen zugelassen. Viele Entwicklungen sind weit fortgeschritten und teilweise auch bis zur Marktreife entwickelt worden. Unter den gegenwärtigen gesellschaftspolitischen Bedingungen ist aber in naher Zukunft kaum mit einer Markteinführung von gv-Weizen zu rechnen.
Risikobetrachtung
Im Gegensatz zu gv-Soja oder gv-Mais sind bislang kaum Daten zur Öko- und/oder Humantoxikologie von gentechnisch verändertem Weizen öffentlich zugänglich. Das Verhalten von gv-Weizen mit den jetzigen agronomischen Merkmalen wird sich in der Umwelt jedoch nicht grundsätzlich von konventionellem Weizen unterscheiden.

Weizen ist Selbstbefruchter und die Befruchtung findet meist noch in der geschlossenen Blüte statt. Der Pollen ist relativ schwer und als Fremdbefruchtungsanteil werden Werte zwischen 1 – 3 % gefunden. Australien Government (2008), Pascher (2013). Eine interspezifische Auskreuzung ist, in Abhängigkeit der Anbaufläche, zu erwarten. Matus-Cadiz (2007) konnten nach 300 m eine Auskreuzungsrate von bis zu 0.01% nachweisen, die bis 2.75 km konstant geblieben ist. Nicht unerwartet sind daher auch interspezifische Auskreuzungen von gv-Weizen.

Weizenpollen werden durch Wind, Insekten und Vögeln verfrachtet. Noch in 1000 m Entfernung kann Weizenpollen gefunden werden. Allerdings verliert er unter „normalen“ Feldbedingungen innerhalb von 30 min seine Befruchtungsfähigkeit (Australien Government (2008)).

Ebenso kann wie bei konventionellem Weizen auch eine Auskreuzung auf andere Arten der Familie Poaceae sowie auf Arten der Gattung Aegilops, die an der Entstehung des heutigen hexaploiden Weizens beteiligt waren, erfolgen.

Ein zunehmendes Problem stellt der Durchwuchs von Weizen dar. Da während der Ernte stets Körner zu Boden fallen und im nächsten Jahr, je nach Art der folgenden Bodenbearbeitung und -behandlung auskeimen. Die Überlebensfähigkeit im Boden ist zeitlich kurz begrenzt, aber dennoch kann bis zu zwei Jahre noch ausgekeimter Weizen gefunden werden (Anderson & Soper, 2003). Gegenwärtig kann das Durchwuchsproblem gut mit Auflaufherbiziden gehandhabt werden.

   Australian Government Office of the Gene Technology Regulator: The Biology of Triticum aestivum L. em Thell. (Bread Wheat)

  Pascher K. (2013): Oekologische Risikoabschaetzung von gentechnisch veraendter Weizen - Identifizierung von wesentlichen
    Aspekten und Konzeptentwicklung. Bundesministerium für Gesundheit, Sektion II, Wien, Oesterreich

  Matus-Cadiz M.A. et al. (2007): Pollen mediated gene flow in wheat at the commercial scale. Crop Science 47: 573-581

  Lawrie R.G., Matus-Cadiz M.A. and Hucl P. (2005)
: Estimating Out-Crossing Rates in Spring Wheat Cultivars Using the Contact
    Method. Crop Science 46, 247-249

  Rieben S., Kalinina O., Schmid B. and Simon L. Zeller S.L. (2011): Gene Flow in Genetically Modified Wheat, Plos ONE vol. 6,
    e29730. doi.org/10.1371/journal.pone.0029730

Wang Z.-Y. et al. (2004)
: Viability and longevity of pollen from transgenic and nontransgenic tall fescue (Festuca arundinacea)
    (Poaceae) plants. American J. Botany 91, 523-530

Dong S. et al. (2016): Investigating pollen and gene flow of WYMV-resistant transgenic wheat N12-1 using a dwarf male
   sterile line as the pollen receptor. PLoS One, 11(3), PMC4790897

Anderson R.L & Soper G. (2003
): Review of volunteer wheat (Triticum aestivum) seedling emergence and seed longevity in soil.
   WeedTechnology 17, 602-626
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Einen umfassenden Überblick zur Diskussion über gentechnisch veränderte Pflanzen, einschließlich Weizen, und ihre Produktivität gibt Klaus Ammann in seinem blog ASK-FORCE Contribution No. 6 renewed GM crops produce more yield, the debate behind this statement.

Jany, Kl.-D. (2014): Überblick zu weltweiten Aktivitäten und Zielen in der Züchtung neuer Weizenvarietäten mithilfe der Gentechnik. Mühle + Mischfutter 151, 6 - 20.

Jany, Kl.-D. (2013): Überblick über züchterische Aktivitäten in Bezug auf gentechnisch veränderten Weizen. Präsentation: 6. Wissenschaftliches Symposium des Verbandes Deutscher Mühlen,  Würzburg;08.11.2013



25.06.2017 bgf-Jany

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