Pflanzenzüchtung für eine klimaresiliente Landwirtschaft Widerstandsfähige Kulturen

Der Klimawandel bedroht die globale Ernährungssicherheit und erfordert eine gleichermaßen produktive wie resiliente Landwirtschaft. Extremwetter und neue Schaderreger führen zu massiven Ertragsverlusten, auch in Deutschland und Europa. Die klassische Pflanzenzüchtung mittels Kreuzung und Selektion hat moderne und ertragreiche Pflanzensorten hervorgebracht, die die Vielfalt heutiger Agrarprodukte ermöglichen. 

Gleichzeitig sind traditionelle Züchtungsverfahren zeitaufwändig (je nach Kultur häufig 10 bis 15 Jahre oder länger bis zum neuen Sortenkandidat) und werden dem rapiden Fortschritt der Klimaveränderungen oft nicht gerecht. Um also weiterhin produktive, angepasste Pflanzensorten bereitzustellen, braucht es neue effiziente Strategien und Methoden, die das bisherige Methodenspektrum der Pflanzenzüchtung ergänzen.

Zukünftige Pflanzensorten sollen stabile Erträge liefern, ressourcenschonend produziert werden und gleichzeitig besser mit Wetterextremen und Schaderregern umgehen. Unter dem Begriff Klimaresilienz werden verschiedene züchterische Ziele zusammengefasst, etwa die Anpassung an Trockenheit, Toleranz gegenüber starkem Niederschlag und Krankheitsresistenzen. Diese Eigenschaften müssen mit hohen und möglichst stabilen Erträgen kombiniert werden. Dies ist eine zentrale Herausforderung der modernen Pflanzenzüchtung. Nur so können neue Sorten langfristig unter sich verändernden Umweltbedingungen am Markt bestehen.

Die Anpassung an Hitze und Trockenheit wird in umfangreichen Zuchtprogrammen erforscht: Verlängerte Primärwurzeln, generelle Wurzelarchitektur, schmalere Blattflächen und verringerte Transpiration sind nur einige mechanistische Ansatzpunkte für ein Pflanzenwachstum unter Trockenstress. 

Ein Beispiel hierfür ist das Verbundprojekt SMARTROOT*, in dem gezielt Wurzelarchitektur- und Wurzelplastizitätsmerkmale untersucht werden, um stickstoffeffiziente und trockenstressresiliente Gerstensorten zu entwickeln. Dabei sollen genetische Faktoren identifiziert werden, die eine verbesserte Wasser- und Nährstoffaufnahme ermöglichen und somit die Züchtung klimaangepasster Sorten beschleunigen.

Im Obstbau führen klimatische Veränderungen bereits zu einer verfrühten Blüte, wodurch das Risiko von durch Frühjahrsfrösten verursachten Blütenschädigungen erheblich zugenommen hat. Das wirkt sich negativ auf den Ertrag und die Qualität der Früchte aus. 

Deshalb beschäftigen sich Projekte wie BluehASS mit der genetischen Kontrolle des Blühbeginns bei Obstkulturen, um gezielt Genotypen mit einem angepassten Blühzeitpunkt auszuwählen und so die Ertragsstabilität unter veränderten Klimabedingungen zu verbessern.

Resistenzen gegenüber Schadorganismen sind ein weiterer wichtiger Baustein der globalen Forschung zur Klimaresilienz: Mit dem Klimawandel verändert sich auch das Spektrum der auftretenden Pflanzenkrankheiten und -schädlinge. Dieser biotische Stress erfordert eine erneute Anpassung der Kulturpflanzen. Als weiteres zentrales Zuchtziel soll zudem die Anfälligkeit gegen neuartige Pilzerreger, Insekten oder Viruskrankheiten verringert werden.

Das Projekt RustHealth* untersucht die genetischen Grundlagen von Gelb-, Braun- und Schwarzrostresistenzen im Weizen, um ein vertieftes Verständnis der Pflanzen-Pathogen-Interaktionen unter dem Einfluss klimatischer Veränderungen zu gewinnen. Aufbauend auf umfangreichen genomischen Daten werden Weizenlinien gezielt erweitert, phänotypisch evaluiert und Pathogen-Isolate sequenziert, um regionalspezifische, sich verändernde Rostrassen und deren Häufigkeitsverschiebungen zu erfassen.

Die klassische Züchtung mittels Kreuzung und Selektion bleibt der Grundpfeiler der Sortenzucht. Durch die Identifikation von klimarelevanten Eigenschaften im Genpool und die Kombination mit Elitesorten werden neue Genotypen erzeugt und die vorhandene Vielfalt optimal genutzt. 

Durch die konventionelle Züchtung entstehen jedoch auch unerwünschte Nachteile: Die Kreuzung und Fokussierung der besten Linien können die tatsächliche genetische Vielfalt reduzieren. Dies ist dann der Fall, wenn regionale Zuchtprogramme auf einen limitierten Genpool zurückgreifen, in dem viele agronomische Schlüsseleigenschaften überlappen. Klassische Kreuzung ist zudem ein langwieriges Verfahren, das auf dem Weg zum marktreifen Sortenkandidat mehrjährige Rückkreuzungen erfordert. 

Präzisionszüchtung kann klassische Pflanzenzüchtung beschleunigen: Effizientere Selektion mithilfe molekularer Marker (Marker-Assisted Selection, MAS) verkürzt die Abläufe sowohl zu Beginn der Sortenzüchtung als auch bei der Rückkreuzung mit den Elternlinien. Sogenannten Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) identifizieren genetische Varianten für komplexe Merkmale (zum Beispiel Ertrag unter Stress), liefern Markergene für die Selektion und bilden so die Grundlage für die Auswahl und biometrische Vorhersagen innerhalb des Zuchtprogramms.

Ein Beispiel für die Anwendung solcher Ansätze ist das Projekt ProSun*, das darauf abzielt, die Sonnenblume als Öl- und Proteinpflanze wirtschaftlich konkurrenzfähiger zu machen. Hierfür wird eine große genetische Vielfalt an Sonnenblumenlinien charakterisiert, um Gene für wichtige Merkmale wie Proteingehalt, Ölgehalt, Frühreife und Krankheitsresistenz zu identifizieren. Durch moderne Methoden wie Hochdurchsatzphänotypisierung, Speed Breeding sowie Marker-gestützte und genomweite Selektion sollen Zuchtzyklen verkürzt und gezielt Sorten mit verbesserten agronomischen Eigenschaften entwickelt werden.

Nicht zuletzt spielt die Mutationszüchtung, mit zunehmendem Fokus die gezielte Mutagenese mittels CRISPR/Cas (und anderer Verfahren der Genomeditierung), eine Rolle für die Pflanzenzüchtung im Klimawandel: Die präzise Modifikation des Pflanzenerbguts kann zeitintensive Arbeitsschritte der herkömmlichen Verfahren umgehen und kann Kreuzung und Selektion sinnvoll ergänzen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass diese Methode lediglich eine Erweiterung des bestehenden Methodenspektrums in der Züchtung darstellt.

Zielgene, die in GWAS oder Pan-Genomen identifiziert werden, können per Genomeditierung gezielt angesteuert und verändert werden, ohne dass artfremde DNA eingeführt würde. Dennoch hängt die breite Anwendung der so genannten Neuen Genomischen Techniken (NGT) von ethischen, sozio-ökonomischen und regulatorischen Faktoren ab, die es zu klären gilt. 

Die regulatorische Einordnung von NGT-Pflanzen und eine mögliche Anpassung des Rechtsrahmens wird derzeit auf europäischer Ebene diskutiert.. Für die Züchtung klimafester Pflanzensorten würde der neue Rechtsrahmen eine Erweiterung der Werkzeugpalette darstellen und Möglichkeiten zur Erschließung von genetischer Vielfalt voranbringen.

Konventionelle Elitezüchtung kann unter bestimmten Umständen die Sortenvielfalt verengen. Deshalb betonen immer mehr Expertinnen und Experten die Notwendigkeit einer systematischen Diversifikation des Zuchtmaterials, etwa durch Einkreuzen von Landrassen oder wilden Verwandten gängiger Kulturpflanzen (Crop Wild Relatives, CWR). Diese zeichnen sich oft durch eine hohe Angepasstheit und einzigartige Genversionen (Allele) aus, die für die Verbreiterung der Sortenpalette und für die Klimaresilienz gleichermaßen wertvoll sind. 

Der natürliche Genpool einer Pflanze und ihrer verwandten Arten erlaubt eine Anpassung an Extrembedingungen, während moderne Sorten hier oft eingeschränkt sind. Züchterinnen und Züchter nutzen als Quelle für genetische Diversität Ressourcen wie Genbanken und erschließen so neue Allele für Trockentoleranzen und Krankheitsresistenzen. Des Weiteren bietet der zunehmende Zugang zu vollständigen Genomanalysen eine weitere Möglichkeit zur Optimierung von Zuchtprogrammen auf der Basis von wilden Verwandten.

In jedem Fall stellen die Erhaltung und Vermehrung von CWR und Landrassen in ihrer genetischen Diversität die Grundvoraussetzung für die Züchtung von Morgen dar. Ohne diese Sortenvielfalt bewegt sich die Pflanzenzüchtung in einem immer enger werdenden genetischen Feld, was auch die Klimaanpassung erschwert. Es gilt also, die Vielfalt zu erhalten und zu beforschen – nicht zuletzt, um ausreichend Datenpunkte für das Trainieren von Maschinen zu sammeln, die die Züchtungsforschung unterstützen werden.

Ein Beispiel ist das Projekt WildResRaps* mit dem Ziel, die genetische Basis von Kulturpflanzen zu erweitern. Hier wird der Genpool von Raps durch die Integration von Resistenzgenen aus wilden, verwandten Arten verbreitert. Durch interspezifische Kreuzungen, Protoplastenfusion und gezielte Förderung von Rekombination sollen neue Linien entstehen, die insbesondere eine verbesserte Resistenz gegen wichtige Schadinsekten wie den Rapserdfloh aufweisen.

Die große Chance von KI und maschinellem Lernen in einer digitalisierten Landwirtschaft liegt in der systematischen Bearbeitung und Evaluation großer Datenmengen. Durch das kontinuierliche Training mit (Echtzeit-)Felddaten können künftig kleinste Abweichungen agronomischer Eigenschaften präzise identifiziert werden. Außerdem wird die nächste Generation von KI durch das iterative Lernen effektiver. Sie wird genauer relevante Faktoren vorhersagen können, die der Trocken- oder Schädlingsresistenz zugrunde liegen und wird auf diese Weise effiziente Zuchtprogramme voranbringen.

Die digitale Phänotypisierung ermöglicht den Unternehmen in der Züchtungsforschung, Pflanzenmerkmale großflächig und nicht-invasiv zu erfassen. Durch die Kombination mit Big-Data-Analysen läuft dieser Prozess zunehmend automatisch ab. Pflanzengesundheit und Stressreaktionen können so fortlaufend überwacht werden und erlauben eine schnelle Identifikation von geeigneten Zuchtlinien.

Künstliche Intelligenz kann also, integriert in bisherige genomische und phänologische Ansätze, die Limitationen herkömmlicher GWAS gewinnbringend ergänzen. Durch die Beherrschung großer Datenmengen könnten neue, komplexe Zusammenhänge erkannt und in zukünftige Zuchtentscheidungen integriert werden. Die Möglichkeit, einen Teil der Züchtungsarbeit zu automatisieren, beschleunigt die Zuchtpipeline (etwa durch Vorhersage des Zuchtwerts). Die Kombination von genomanalytischen Methoden mit KI-gestützter Phänotypisierung kann einen hohen Präzisionsgrad voranbringen, der selbst komplexe Eigenschaften (wie Ertrag unter Klimastress) für die Pflanzenzüchtung zugänglich macht.

Das Projekt STRESS‑STOPP* adressiert die Ertragsstabilität von Winterraps unter wiederkehrendem Trockenstress und nutzt hochauflösende physiologische Phänotypisierung kombiniert mit maschinellen Lernverfahren, um komplexe Genotyp‑Umwelt‑Interaktionen für die Selektion toleranter Sorten auszuwerten. Durch die Beherrschung großer Datenmengen könnten neue, komplexe Zusammenhänge erkannt und in zukünftige Zuchtentscheidungen integriert werden.

Die Pflanzenzüchtung steht im Klimawandel vor der zentralen Aufgabe, Produktivität und Resilienz gleichermaßen zu sichern. Klassische Verfahren bleiben dabei unverzichtbar, werden jedoch durch molekulare und biotechnologische Ansätze, sowie datenbasierte Methoden zunehmend ergänzt und weiterentwickelt. Eine zentrale Rolle spielt dabei die gezielte Nutzung genetischer Vielfalt, etwas aus Genbanken und wilden Verwandten, die die Grundlage für robuste und anpassungsfähige Sorten bildet. Insgesamt zeigt sich: Die Verbildung etablierter Züchtungsansätze mit neuen technologischen Möglichkeiten ist ein entscheidender Baustein für eine klimaresiliente Landwirtschaft.

Autor: David Spencer