Grüne Gentechnik – ein Beitrag zur Nachhaltigkeit?

Umweltschutz
Kristina Sinemus
Klaus Minol
Grüne Gentechnik – ein
Beitrag zur Nachhaltigkeit?
„Nachhaltige Entwicklung ist Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, dass künftige Generationen ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen
können.“ So definierte eine UN-Kommission unter Leitung
der früheren norwegischen Ministerpräsidentin Gro Harlem
Brundtland 1987 den Begriff einer nachhaltigen Entwicklung.
Seit dem Weltgipfel in Rio de Janeiro 1992 wurde Nachhaltigkeit zum Leitbegriff in Fragen der Umwelt und Entwicklung. Ein kontrovers diskutiertes Thema unserer Zeit ist, ob
gentechnisch veränderte Pflanzen das Kriterium der Nachhaltigkeit erfüllen oder im Gegenteil eher die Gefahr bergen,
ökologische und soziale Probleme zu verschärfen.
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Umweltschutz
ie Frage, ob gentechnologisch veränderte Pflanzen einen Beitrag zu einer nachhaltigen und ressourcenschonenden
Landwirtschaft leisten, ist nur zu
beantworten, wenn ganz verschiedene Aspekte betrachtet werden.
Einerseits müssen die direkten Einflüsse transgener Pflanzen auf ihre
Umwelt bewertet werden, andererseits die Auswirkungen, wenn
solche Pflanzen kategorisch von der
Nutzung in der Landwirtschaft ausgeschlossen würden.
D
Die Begrenzung von
Anbauflächen hat Priorität
Kulturlandschaften sollen durch die
Landwirtschaft sowohl für die Erzeugung von Lebensmitteln genutzt
als auch gleichzeitig möglichst intakt gehalten werden. Ein Kriterium
für eine nachhaltige landwirtschaft-
Brandrodung im tropischen Regenwald:
Zur Deckung des Nahrungsbedarfs wird
in vielen Schwellenländern die landwirtschaftliche Nutzfläche auf Kosten
des Waldes vergrößert. Foto: Greenpeace
liche Produktion ist die Sicherung
von Ernteerträgen bei möglichst
geringer Belastung von Boden und
Wasser und unter Erhalt der Artenvielfalt. Aber die Produktivität der
Landwirtschaft muss bis zum Jahr
2025 weltweit nahezu verdoppelt
werden, um die dann schätzungs-
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weise 8,5 Milliarden Menschen auf
der Erde ernähren zu können. In
Schwellenländern wird schon jetzt
durch Brandrodung von Wäldern
die landwirtschaftliche Nutzfläche
vergrößert, um den Mehrbedarf an
Nahrung zu decken. Auch Grasland
wird überweidet. Das zerstört unwiederbringlich Lebensräume für
Pflanzen und Tiere. Die Stabilität des
Klimas wird gefährdet und die
genetische Vielfalt beeinträchtigt.
Da genetische Vielfalt auch Grundlage für die Entwicklung neuer
Medikamente und Kulturpflanzen
ist, trifft uns deren Verlust umso
schwerer. International angesehene
Organisationen wie die IUCN – The
World Conservation Union und
rend in den 1980er-Jahren noch
ein Ertragszuwachs von jährlich drei
Prozent verzeichnet werden konnte, liegt dieser zur Zeit nur noch bei
knapp über einem Prozent.
Zudem geht jährlich etwa ein
Drittel der Welternte durch Insekten,
Krankheiten und Unkräuter verloren. Bei bestimmten Pflanzenarten
ist der Verlust sogar noch sehr viel
größer. Virale Erkrankungen zum
Beispiel bei Maniok können in Afrika zum Verlust von 40 bis 95 Prozent der Ernte führen.
Dort, wo konventionelle Methoden offenbar an ihre Grenzen
stoßen, können gezielt transgene
Pflanzen zur Weiterentwicklung
einer nachhaltigen Landwirtschaft
Tropenwald: Zerstörung der Heimat von 90 Prozent aller
Tier- und Pflanzenarten
■
90 Prozent der Waldvernichtung in den immerfeuchten Tropen ist auf Ausdehnung der Landwirtschaft zurückzuführen (Weidewirtschaft und Wanderfeldbau).
■ Knapp zehn Prozent der Waldvernichtung sind direkt auf Holzwirtschaft
zurückzuführen (in Asien über 30 Prozent).
■ Die Zerstörung der tropischen Wälder schreitet rasch voran. In Südamerika wurden in den 70er- und 80er-Jahren des letzten Jahrhunderts jährlich über 20.000 Quadratkilometer Regenwald zerstört. In den 1990er-Jahren konnte die Rate leicht reduziert werden auf durchschnittlich 16.000
Quadratkilometer.
■ Die Regenwälder Westafrikas wurden bereits weitgehend zerstört. 1985
waren 72 Prozent dieser Wälder in landwirtschaftliche Flächen umgewandelt und weitere neun Prozent für die Holzgewinnung geöffnet.
■ Die Waldvorräte asiatischer Länder wie Thailand, den Philippinen und
Malaysia sind durch Wanderfeldbau, Plantagen und Holzexporte bereits
weitgehend erschöpft.
■ Wenn die Zerstörung in unverminderter Weise anhält, werden in 30 Jahren 20 Prozent der biologischen Vielfalt dieser Erde zerstört worden
sein. Fast die Hälfte der Landflächen werden dann landwirtschaftlich genutzte Flächen oder bebaute Gebiete sein. Zum Vergleich: heute ist dies
nur ein Fünftel der Landfläche.
das Entwicklungsprogramm der
Vereinten Nationen UNDP (United
Nations Development Programme)
haben dazu aufgerufen, der unzureichenden Nahrungsmittelproduktion mit einer intensiveren Landwirtschaft zu begegnen und letzte
naturnahe, artenreiche Gebiete vor
der Bewirtschaftung zu schützen.
Allerdings haben die konventionellen Methoden zur Intensivierung
der Landwirtschaft teilweise an
Leistungsfähigkeit eingebüßt. Wäh-
mensch+umwelt spezial 17. Ausgabe 2004/2005
eingesetzt werden. Beim konsequenten Anbau gentechnisch veränderter Pflanzen mit effektiven
Resistenzen gegen die wichtigsten
Erreger und Schädlinge sind natürliche Lebensräume – und damit
auch die Artenvielfalt und das
Klima – deutlich einfacher zu schützen. Entsprechende Pflanzen werden zur Zeit weltweit für alle Klimazonen entwickelt.
Übernutzung und ungünstige
Anbauverfahren führen jährlich zu
Verluste durch Schädlinge, Krankheiten und Unkrautkonkurrenz: Etwa ein
Drittel der Welternte geht heute noch verloren (verändert nach Saedler, 1994).
großen Verlusten an Ackerland.
Überweidung lässt die Wüsten weiter vordringen und besonders
durch unsachgemäße Bewässerungen in ariden Klimazonen – also
in Regionen, in denen die Verdunstung größer ist als die Niederschlagsmenge – reichern sich die
im Wasser gelösten Salze im Boden
an. Weite Gebiete in Indien, China,
Pakistan und im Westen der USA
sind auf diese Weise bereits völlig
Bestimmte transgene Tomatenpflanzen können in Salzwasser wachsen.
Sie bilden ein Protein, das das Salz
innerhalb der Zellen in Vakuolen
transportiert. Das Salz wird hauptsächlich in den Blättern eingelagert.
Das Foto zeigt allerdings normale
Tomaten im Gewächshaus.
Foto: Martin Specht, MPI f. Züchtungsforschung Köln
unproduktiv geworden. Jedes Jahr
geht eine Fläche von zehn Millionen
Hektar (etwa die Hälfte der Fläche
Großbritanniens) durch Versalzung
verloren. Diese Flächen könnten
durch den Anbau salz- beziehungsweise trockenheitsresistenter
Pflanzen wieder landwirtschaftlich
nutzbar gemacht werden.
Es sind bereits transgene Tomaten- und Reispflanzen hergestellt
worden, die in Salzwasser wachsen
können. Bei der Tomate wurde ein
Gen für ein spezielles Na+/H+-Antiport-Protein eines Wildkrauts übertragen. Die so veränderten Tomatenpflanzen bildeten ein Protein, das
das Salz innerhalb der Zellen in Speicherorganellen – Vakuolen – trans-
portiert. Die Früchte der Tomatenpflanze sind davon kaum betroffen.
Das Salz wird hauptsächlich in
den Blättern gelagert und die Pflanze
ist in der Lage, im Salzwasser zu
gedeihen. Diese transgene Tomate
soll als Modell dienen, um andere Kulturpflanzen auf gleiche Art
und Weise salztolerant zu machen.
Kanadische Forscher arbeiten bereits an einer salztoleranten Rapsart, in Indien haben Wissenschaftler
Gene einer salztoleranten Mangrovenart in bestimmte Kulturpflanzen,
wie Aubergine und Papaya, eingebracht, um deren Salztoleranz zu
erhöhen.
Ein weiterer Vorteil des Anbaus
salztoleranter Pflanzen ist die Regeneration von versalztem Kulturland.
Mit der Ernte der salzangereicherten Pflanzen reduziert sich die Menge an schädlichem Salz im Boden.
In einem Feldversuch wurde gezeigt, dass salztolerante Gräser und
Bäume den Salzgehalt im Boden
von zehn Prozent auf bis zu 0,5 Prozent senken können.
Einsparung von
Pflanzenschutzmitteln
Einsparung von Pflanzenschutzmitteln wirkt sich in den meisten Fällen positiv auf die Biodiversität aus.
Nützlinge und andere Nicht-Zielorganismen werden geschont. Im
Jahr 2000 wurde in den USA durch
den Anbau von gentechnisch verändertem Soja, Raps, Baumwolle
und Mais der Verbrauch von Pflan-
Verdorrter Mais als Folge anhaltender Trockenheit. Mit gentechnischen
Verfahren kann die Trockentoleranz von Pflanzen erhöht werden.
Fotos: Gerd Spelsberg / www.biosicherheit.de
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zenschutzmitteln schätzungsweise
um 20.000 Tonnen reduziert.
Besonders im Baumwollanbau
werden viele Insektizide angewendet – 20 Prozent der weltweit versprühten Insektizide gelangen auf
Baumwollfelder. Mit der Einführung
von insektenresistenten B.t.-Baumwollpflanzen, also transgenen Pflanzen, die das Insektizid des Bakteriums Bacillus thuringiensis selbst
produzieren, wurden insbesondere
in den Entwicklungsländern große
Einsparungseffekte erzielt. In China
konnten laut einer Studie der Rutgers-Universität in New Jersey und
der Chinesischen Akademie der
Wissenschaften im Jahr 2001 durch
den Anbau transgener Pflanzen
78.000 Tonnen Pflanzenschutzmittel
eingespart werden – das entspricht
einer Abnahme um 25 Prozent.
Studien der Universität Bonn und
der kalifornischen Universität in
Berkeley haben ergeben, dass sich
beim Anbau von B.t.-Baumwolle in
Indien der Verbrauch an Pflanzen-
schutzmitteln um teilweise 70 Prozent reduzierte (Anbausaison 2001/
2002). Die Erträge stiegen im Durchschnitt um 80 Prozent gegenüber
den Erträgen konventioneller Baumwollsorten. In Südafrika wurden
Einsparungseffekte von zirka 40 Prozent dokumentiert.
Die nächste Generation von insektenresistenten Pflanzen könnte
diese Einsparungseffekte noch
verstärken. Seit der Saison 2002/
2003 ist beispielsweise in den USA
und Australien die neue B.t.-Baumwolle Bollgard II zum Anbau zugelassen. Sie enthält zwei unterschiedliche B.t.-Resistenzgene, die die
Wirkungseffizienz weiter erhöhen.
Der dreijährige Versuchsanbau
von Bollgard II in Australien hat gezeigt, dass der Verbrauch an Insektiziden gegenüber konventioneller Baumwolle um 75 Prozent zurückging. Bei der Vorgängerversion
mit nur einem B.t.-Toxingen fiel die
Einsparung mit rund 50 Prozent
deutlich geringer aus.
Bodenschonende
Anbauverfahren
Die Einführung herbizidtoleranter
Kulturpflanzen hat in den USA dazu
geführt, dass die Fläche mit einer
pfluglosen beziehungsweise reduzierten Bodenbearbeitung um 35
Strategien zur Erzeugung von Salz- und
Trockenheitstoleranzen in Kulturpflanzen
Produktion von Osmolyten in Pflanzenzellen: Diese Substanzen halten Wasser auf zellulärer Ebene zurück. Dazu gehören bestimmte Zucker, Aminosäuren oder Glycinbetaine. Gene, die für diese Substanzen kodieren, wurden in
diverse Pflanzenarten eingeführt: Cholinoxidase, Betainaldehyd-Dehydrogenase, Arginindecarboxylase oder Mannitol-1-Phosphat-Dehydrogenase.
Late Embryogenesis Abundant-Proteine (LEA): LEA-Proteine schützen Makromoleküle (Enzyme, Lipide und mRNAs) vor Trockenheit und Salzstress.
Natürlicherweise sind diese Substanzen im Samen und dort vor allem im
Embryo enthalten, der vor der Keimung noch wenig Wasser enthält. Es wurde bereits ein transgener Reis mit einem LEA-Gen aus der Gerste erzeugt.
Stresshormone: Wirken auf Pflanzen Stressfaktoren ein, stellen sie mehr
Abscisinsäure (ABA) her. Dieses Pflanzenhormon erhöht die Toleranz gegen
Kälte, Salz und Trockenheit. Daher versucht man, den ABA-Gehalt in Kulturpflanzen bei Bedarf zusätzlich zu erhöhen, um damit die Pflanze stressresistenter zu machen.
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Baumwolle ist eine der wichtigsten
Nutzpflanzen in den USA.
Foto: Bayer CropScience
Prozent ausgedehnt werden konnte.
Beim herkömmlichen Anbau zum
Beispiel von Sojabohnen ist durchschnittlich eine intensivere Bodenbearbeitung zur Vermeidung hoher Unkrautbelastung notwendig.
Auch beim Maisanbau ergeben
sich Verbesserungen. Die chemische
Kontrolle von Bodendeckern (falls
diese über Winter nicht abgefroren
sind) sowie der Alt- und Neuverunkrautung kann bei herbizidtoleranten Sorten noch zu einem deutlich
späteren Zeitpunkt durchgeführt
werden. Damit kann auf ein generelles Pflügen des Feldes vor der
Einsaat verzichtet werden. Der Boden bleibt in der besonders erosionsgefährdeten Zeit am Anfang
der Vegetationsperiode bedeckt.
Ohne diese neuen Anbaumethoden würden in den USA durch
Niederschläge und Windverwehungen jährlich zirka eine Milliarde Tonnen mehr Erde von den Feldern abgetragen werden. Damit entfallen
auch Kosten in Höhe von etwa 3,5
Milliarden US-Dollar, die für die Beseitigung dieser Sedimente in Gewässern, auf Straßen und zur Trinkwasseraufbereitung notwendig
würden.
Ein weiterer Effekt ist die Einsparung von Treibstoff für die Bodenbearbeitung. Schätzungsweise 1,2
Milliarden Liter Treibstoff konnten
auf diese Weise im Jahr 2002 in den
USA eingespart werden (zirka sechs
Liter pro bearbeiteten Hektar).
Schließlich bewahrt eine pfluglose
Bodenbearbeitung besser die
Feuchtigkeit im Boden und reduziert
somit den Wasserverbrauch in der
Landwirtschaft.
Gentechnik und Artenvielfalt auf dem Feld
Die landwirtschaftliche Produktion
ist in ihrem Wesen nicht auf Artenvielfalt ausgelegt. Im Gegenteil:
Seitdem der Mensch Wildpflanzen
domestiziert hat, versucht er seine
landwirtschaftlichen Anbauflächen
vor allem durch Nutzpflanzen zu
bebauen und konkurrierende Wildoder Kulturpflanzen sowie Schädlinge von den Flächen fernzuhalten. Je besser ihm das gelingt, um
so höher und sicherer werden in
der Regel die erzielten Erträge sein.
Die Absicherung der Ernährungsgrundlage in einem weltweiten Kontext steht hierbei im Widerspruch
zur Artenvielfalt. Die Gentechnik
kann aber dazu beitragen diesen
Widerspruch zu entschärfen, indem
neue Verfahren entwickelt werden, die nützliche Lebewesen in
den Feldfluren fördern. Ein Beispiel
sind herbizidtolerante Rüben, deren Auswirkung auf die Zahl von
Insekten im Feld in zwei unabhängigen Studien überprüft wurde
(Broom's Barn Research Station im
englischen Suffolk, Nationales
Umweltforschungsinstitut des dänischen Umweltministeriums).
Es zeigte sich, dass die Anzahl an
Gliedertieren in herbizidtoleranten Rübenfeldern deutlich höher
lag als in Feldern mit konventionellen Rüben. Ursache dafür ist, dass
die Unkrautbekämpfung aufgrund
der Herbizidtoleranz der Zuckerund Futterrüben im Vergleich zu
konventionellen Rüben zu einem
deutlich späteren Zeitpunkt erfolgen kann. Ohne Ertragseinbußen
hinnehmen zu müssen, kann bis
in den Frühsommer hinein im Umfeld zahlreicher Wildkräuter auf
dem Acker ein artenreicherer Bestand existieren.
Nicht jede gentechnisch veränderte Pflanze zeigt im Vergleich
zu konventionellen Pflanzen ähnlich
positive Ergebnisse und vieles
hängt auch von der Anwendungspraxis der Landwirte ab. Das Beispiel der Rüben soll aber verdeutlichen, dass es Möglichkeiten und
Strategien gibt, mit transgenen
Pflanzen nachhaltige Anbauverfahren zu unterstützen. Aus den bisher vorliegenden Erfahrungen mit
schadschwellenorientiertem Herbizideinsatz und bodenschonenden
Bearbeitungsverfahren mit herbizidresistenten Pflanzen deutet
sich an, dass diese generell ein größeres Potenzial für einen integrierten Pflanzenschutz besitzen als
Systeme ohne herbizidresistente
Pflanzen.
Grüne Gentechnik
zur Bodensanierung
Industriegifte in Böden können nur
mit größtem Aufwand wieder entfernt werden. Meist handelt es sich
um Schwermetalle, verschiedene
halogenierte Kohlenwasserstoffverbindungen oder die Hinterlassen-
schaften von Sprengstofffabriken.
In bestimmten Fällen wurden Belastungen von bis zu 200 Milligramm
Trinitrotoluol (TNT) pro Kilogramm
Erdreich festgestellt. Gängiges Verfahren für eine Bodensanierung ist
die Abtragung der Erde, die anschließend verbrannt oder in Bioreaktoren
durch Mikroorganismen dekontaminiert werden muss. Diese Verfahren sind teuer und zum Teil für die
Ausführenden recht gefährlich.
Gentechnisch optimierte Pflanzen
zur Beseitigung von Giftstoffen sind
eine alternative Option, die allerdings zurzeit noch am Anfang ihrer
Erprobung steht. Der Prototyp einer
solchen Pflanze entstand 1999: Tabakpflanzen wurde ein bakterielles
Gen, die Pentathritol-Tetranitratreduktase, übertragen. Diese transgenen Pflanzen konnten im Wurzelbereich TNT in harmlose Verbindungen
umwandeln.
Häufigkeit von Insekten- und Spinnentieren in Feldern mit konventionellen und
herbizidtoleranten Rüben. Bei der vom Hersteller empfohlenen Herbizidbehandlung der gentechnisch veränderten Rüben (durchgezogene schwarze Linie)
sind in der frühen Saison (Juni-Termin) im Vergleich zur konventionellen Herbizidbehandlung (grüne Linie) deutlich mehr Gliedertiere im Feld gefunden
worden. Dies wird darauf zurückgeführt, dass im Feld mit den gentechnisch
veränderten Rüben unter diesen Bedingungen etwa die doppelte Menge von
Beikräutern vorhanden war. Wenn der Herbizid-Behandlungstermin noch später
gesetzt wurde, lag die Biomasse der Beikräuter in der Juni-Juli-Periode sogar
zehnfach über der Menge im konventionellen Feld. Dies erhöhte die Zahl der
Gliedertiere (gestrichelte Linie) im Vergleich zum konventionellen Anbau (grüne
Linie) etwa um den Faktor 1,5 (im Juli) bis Faktor 3 (im Juni).
Verändert nach Agricultural Biotechnology in Europe, 2003
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Umweltschutz
Zur Entfernung speziell von
Schwermetallen wurden verschiedene Ansätze entwickelt. Beispielsweise können Quecksilberionen
Schutz der Pflanze gegen verschiedene Stress- und Umweltfaktoren
eine zentrale Rolle. Es kann toxische
Verbindungen über chemische
Reaktionen entgiften. Das Ergebnis
sind Verbindungen (Konjugate),
die in den Vakuolen der Pflanzenzellen abgelagert werden. Im Gewächshaus nahmen transgene
Pappeln innerhalb eines Monats bis
zu 15 Prozent des eingesetzten Cadmiums auf.
Es wird jedoch noch einige Zeit
dauern, bis Pflanzen auch solche
Literaturhinweise:
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transgenic plants in the bioremediation of
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Phipps, R., Park, J.R.: Environmental Benefits of Genetically Modified Crops: Global
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Internet:
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Paper 8, Oktober 2003. www.abeurope.
info/images/files/abe_issues_paper_8.pdf
FAO: State of the World's Forests (2003)
www.fao.org/DOCREP/005/Y7581E/Y7581
E00.HTM
Bäume zur Bodensanierung: Frisch ausgepflanzte transgene Pappeln auf einem
Versuchsgelände, das stark mit Kupfer belastet ist.
Foto: Sigrid Fuhrmann / www.biosicherheit.de
durch Reduktion in weniger giftiges
metallisches Quecksilber umgewandelt werden. Bisher wurden Versuche mit der Expression der bakteriellen Hg2+-Reduktase in transgenen Ackerschmalwand-(Arabidopsis-)Pflanzen und Pappeln durchgeführt. Das weniger toxische und
flüchtige metallische Quecksilber
wird nach der Reduktion durch die
transgenen Pflanzen freigesetzt.
Andere Schwermetalle wie Blei,
Uran oder Cadmium können vom
Wurzelsystem von Bäumen aufgenommen und nach Komplexbildung
mit organischen Substanzen gespeichert werden. Ein Beispiel für
einen solchen Ansatz sind transgene Pappeln mit einem erhöhten
Glutathiongehalt, der durch Übertragung eines bakteriellen Glutamylcystein-Synthetase-Gens erreicht wird. Glutathion spielt beim
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Böden entseuchen können, die eine
Mischung verschiedenster Giftstoffe
enthalten. In diesen Fällen sind eine
Reihe zusätzlicher Gene notwendig,
die zusammen in die Pflanzen eingebracht werden müssen.
Fazit
Gentechnisch veränderte Nutzpflanzen sind aufgrund ihrer Herstellungsmethode per se weder nachhaltiger noch umweltschädlicher
als andere Kulturpflanzen. Bei Betrachtung der vorliegenden Anbauerfahrungen und dem Wissen um
die Möglichkeiten der neuen Technologie ist aber absehbar, dass bestimmte transgene Pflanzen einen
wichtigen Beitrag für eine nachhaltige und ressourcenschonende Landwirtschaft leisten können.
mensch+umwelt spezial 17. Ausgabe 2004/2005
Gianessi, L.P.. et al.: Plant Biotechnology:
Current and Potential Impact for Improving Pest Management in US Agriculture.
An Analysis of 40 Case Studies. National
Center for Food and Agricultural Policy
(2002). www.ncfap.org/whatwedo/
40CaseStudies.php