• Starke Schoten

    Neue Rapssorte reduziert Ernteverluste auf dem Feld

    Bildunterschrift einblenden

    Wertvolle Perlen: Um möglichst viele der schwarzen, ölhaltigen Rapssamen zu ernten, entwickeln Bayer-Forscher stabile Schoten.

Rapsschoten tragen eine wertvolle Fracht: Aus den schwarzen Samen wird Öl gewonnen, das weltweit gefragt ist. Doch öffnet sich die Schote verfrüht schon auf dem Feld, landen viele Samen auf dem Ackerboden. Das führt zu Ertragsverlusten. Forscher von Bayer CropScience haben jetzt eine Rapssorte mit besonders stabilen Schoten entwickelt – sie steigert den Ernteertrag der Landwirte in Kanada.

Story check

  • Herausforderung:
    Rapsfarmer verlieren große Teile ihrer Ernten, wenn die Rapsschoten schon auf dem Feld aufplatzen. Das nennt man „shattering“.
  • Lösung:
    Biotechnologen von Bayer CropScience haben eine neue Rapssorte mit besonders robusten Schoten entwickelt.
  • Nutzen:
    Die robusteren Pflanzen ermöglichen den Landwirten eine spätere Ernte und damit höhere Erträge.                 

Der Start ins Pflanzenleben erfordert besondere Kräfte: Damit aus Samenkörnern ertragreiche Pflanzen werden, müssen die zarten Triebe zunächst eine harte Hülle durchbrechen. Dafür hat die Natur die Nähte der Samen besonders dünn gestaltet: Sie platzen leicht auf und eröffnen den Sprossen den Weg zur Keimung. Auch Rapsschoten besitzen so eine Art Sollbruchstelle. Die Schoten bestehen aus zwei Hälften, auch Valven genannt, die von einem speziellen Gewebe fest zusammengehalten werden. Ist die Schote reif, zerfällt das Gewebe – die Frucht reißt auf und gibt schließlich die schwarzen Samenkörner frei.

Raps

Im Auftrag der gelben Blüten: Bayer-Forscher entwickeln Rapssorten mit reißfesteren Schoten.

Dr. Bart Lambert

Rüttelt beispielsweise starker Wind an den reifen Pflanzen, platzen die Schoten auf dem Feld auf, und Ertrag geht verloren. Die Samen fallen zu Boden und werden unbrauchbar.

Ein natürlicher Prozess, der aber manchen Rapsfarmer zur Verzweiflung bringt: „Rüttelt beispielsweise starker Wind an den reifen Pflanzen, platzen die Schoten auf dem Feld auf, und Ertrag geht verloren. Die Samen fallen zu Boden und werden unbrauchbar“, erklärt Dr. Bart Lambert, der bei Bayer CropSciencezuständig für die weltweite Rapsforschung war.„Heftige Sommerstürme haben beispielsweise 2012 vielen Landwirten in Kanada große Teile ihrer Ernten zerstört“, sagt Lambert. Kanada ist eine der größten Anbauregionen für Sommerraps, der im Mai gesät und im August geerntet wird. Raps ist die wertvollste Kulturpflanze Kanadas. Bisher versuchen die Rapsanbauer Samenverluste zu verhindern, indem sie „schwaden“, also die Pflanzen drei Wochen vor der vollen Reife schneiden. Das heißt, die Rapspflanzen reifen dann in Schwaden auf dem Boden liegend nach.

Strategie für reißfeste Schoten

Mithilfe der reversen Genetik lässt sich die Stabilität der Rapsschoten modifizieren. Dafür erzeugen die Forscher im Erbgut der Pflanzen chemische Veränderungen (Mutationen). Pflanzen mit einer IND-Mutation im Genom

werden mit der ursprünglichen Pflanze rückgekreuzt. Die neuen Rapspflanzen haben dann stabilere Schoten: Die Samen bleiben in der Schote und fallen bei einem Windstoß nicht heraus.

Reißfestere Rapsschoten werden wertvolle Ernten schützen

Dr. Bart Lambert

Die Pflanzenexperten um Dr. Bart Lambert können die Stabilität der Rapsschoten mithilfe modernster Pflanzenzüchtung gezielt einstellen – und damit verhindern, dass die Samen schon vor der Ernte verloren gehen.

Diese Notlösung ist notwendig – auch wenn damit Nachteile für die Farmer verbunden sind, etwa zusätzliche Feldarbeit vor der Ernte. Zudem schneidet diese Praxis die Nährstoffversorgung der Pflanze ab – mit der Folge, dass die Schoten nicht vollständig reifen und die Samen weniger Öl enthalten. Aber genau das ist begehrt: Rapsöl ist weltweit vor allem als Speiseöl beliebt, weil es einen hohen Anteil an gesunden ungesättigten Fettsäuren enthält. Doch es spielt auch in ganz anderen Bereichen eine Rolle, etwa zur Herstellung von Biokraftstoffen. Außerdem ist es für die Produktion von Lacken, Farben und Schmiermitteln ein wichtiger Rohstoff. 7,1 Millionen Tonnen Rapssamen hat allein Kanada 2013 weltweit exportiert.

Schoten-Check i

Schoten-Check: Kevin und Herbert Serfas (v. re.) begutachten die Rapspflanzen auf der kanadischen Farm Ironsprings.

Jetzt hat das Team um Lambert eine neue Lösung entwickelt, die die ölhaltigen Samen schont: eine Rapssorte mit stabileren Schoten. Dafür haben die Biotechnologen die Sollbruchstelle in der Schote – Botaniker nennen diese auch Dehiszenz-Zone – gezielt verändert. Keine leichte Aufgabe: „Unterschiedliche Gene steuern die Ausbildung dieses brüchigen Gewebes“, erklärt Benjamin Laga, der das Schoten-Projekt leitete. Das Forscherteam hat sich auf eines davon fokussiert: das INDEHISCENT-Gen, kurz IND. Laga: „Wenn das Gen nicht mehr funktioniert, bildet sich keine Sollbruchstelle. Die Valven der Schote wachsen direkt fest zusammen.“

Doch die Natur machte es den Wissenschaftlern auf dem Weg zum Erfolg nicht leicht: Zunächst waren mehr als zehn Jahre Forschung in Labor, Gewächshäusern und auf dem Feld nötig. Die Wissenschaftler blockierten beispielsweise das IND-Gen mit der sogenannten Ribonukleinsäure-Interferenz – ein natürlicher Mechanismus, der gezielt Gene in biologischen Zellen stilllegt. Auf diese Art schützen sich auch Pflanzen- und Tierzellen beispielweise gegen gefährliche Viren. Die Ribonukleinsäure – in der Fachsprache kurz als RNS bezeichnet – dient als Vermittler zwischen Gen und Protein und übersetzt die Informationen aus dem Erbgut in Proteine.

Mit reverser Genetik und Rückkreuzung zu reißfesten Schoten

Um das IND-Gen auszuschalten, entwickelten Lambert und sein Team zunächst eine passgenaue Sequenz, die sich exakt auf die RNS des unerwünschten IND-Gens legt – wie eine Art Klettverschluss – und die Informationskette komplett unterbricht. Der Ansatz funktionierte gut – sogar zu gut: „Die Schoten waren so stabil, dass wir sie fast nicht öffnen konnten“, so Lambert. Die Schoten würden zwar nicht auf dem Feld im Wind aufbrechen – aber auch dem Landwirt trotzen und die Samen mit üblichen Erntemethoden nicht freigeben.

Die reifen, schwarzen Samen enthalten große Mengen Rapsöl.

Die reifen, schwarzen Samen enthalten große Mengen Rapsöl.

Von der Idee zur Umsetzung in ein neues Pflanzenmerkmal

Doch nach einigen Versuchen gelang es den Wissenschaftlern, die Stabilität der Schoten passgenau einzustellen. Der Weg zum Erfolg: reverse Genetik. Sie beginnt direkt in der DNS, dem Erbgut der Rapspflanze. Die Forscher rufen dort auf chemischem Weg zunächst kleine Veränderungen, sogenannte Mutationen, hervor – zufällig und verteilt über die gesamte DNS. Aus tausenden beliebig veränderter Pflanzengenomen wählen sie solche aus, die eine Mutation im IND-Gen tragen. Diese Veränderung sieht man den Samen aber nicht an. Die Biotechnologen analysieren daher das Erbgut: Sie vervielfältigen und sequenzieren den IND-Teil der verschiedenen Gene. Im Vergleich mit der ursprünglichen Gensequenz zeigt sich dann, welche Rapsgene vielversprechende IND-Genmutationen tragen. So schränkten die Bayer-Experten die riesige Auswahl auf rund 20 Kandidaten ein.

Zarte Gewächse: In Labor- und Freilandversuchen werden die Eigenschaften der jungen Rapspflänzchen umfassend untersucht. Erst dann zeigt sich, ob sie alle gewünschten Eigenschaften in sich tragen.
Bart Lambert und Benjamin Laga (v. li.) begutachten das Wachstum der Rapspflanzen.
Gelbe Perspektiven: Am Forschungsstandort Monheim untersuchen Forscher von Bayer CropScience das Wachstum der neuen Rapssorten im Gewächshaus und auf Versuchsfeldern

Gemischtes Genom

Raps ist ein Mischling. Die Pflanze entstand durch Kreuzung zweier nicht verwandter Pflanzenarten: Rübsen und Kohl. Beide Genome stecken noch im Rapserbgut. Das ist dadurch sehr groß und auch komplex aufgebaut. Trotzdem hat das Team um Bart Lambert das Genom 2009 entschlüsselt. Bei dem Projekt hat Bayer CropScience mit Partnern in China, Australien und den Niederlanden zusammengearbeitet. Dabei gingen die Forscher schrittweise vor: Erst entschlüsselten sie die Genome von Rübsen und Kohl, dann die gemischte Version in Raps.

Aber auch außerhalb des IND-Gens haben sich unerwünschte Mutationen im Erbgut eingeschlichen. Deshalb müssen die Forscher diese durch mehrmalige Rückkreuzung der Pflanzen mit der unveränderten Ausgangspflanze eliminieren. Die dann entstandenen Samen dürfen Labor und Gewächshäuser verlassen. Sie werden in Feldversuchen in Belgien und Kanada ausgesät. Ein spannender Moment für die Wissenschaftler. Drei Jahre dauern die Freilandversuche. Und in jeder Saison müssen sich die Forscher gedulden, bis die Pflanzen ausgereift sind. Bei einigen lassen sich die Schoten erneut kaum öffnen. Andere Rapspflanzen sind vielversprechend und schaffen es in die nächste Anbauphase. So können die Wissenschaftler die Auswahl immer mehr einschränken – bis sich am Ende eine Pflanze bewährt: „Ihre Schoten sind nicht zu robust, lassen sich aber auch nicht zu leicht öffnen“, so Laga.

7,1 
Millionen

Tonnen Rapssamen hat Kanada 2013 exportiert.

Aber die Wissenschaftler wollen mehr als nur reißfeste Schoten: Sie haben das mutante IND-Gen in Hybridsorten eingebracht. Diese sind generell ertragreicher und stressresistenter als andere, offen abblühende Sorten. Experten sprechen dabei vom Heterosis-Effekt. Das Ergebnis: hybrider Raps mit vielen großen und qualitativ hochwertigen Samen, die in ihren Schoten bis zur Ernte sicher sind.

Power-Generation

Normale Eltern mit leistungsstarken Nachkommen – Genetiker sprechen hierbei vom Heterosis-Effekt. In der Pflanzenwelt tritt er auf, wenn reinerbige weibliche Pflanzen mit von ihnen genetisch möglichst verschiedenen reinerbigen männlichen Pflanzen gekreuzt werden. Die Nachkommen sind besonders widerstandsfähige Hybride, die auch höhere Ernten tragen. Hybridsorten werden daher in der Züchtung vieler Gemüsesorten genutzt, sowie im Reis- und Rapsanbau.

Eine erste Hybridsorte steht jetzt unter dem Namen InVigor™ L140P den Bauern in Kanada zur Verfügung. Ein Grund zur Freude für Forscher und Farmer. Denn die Sorte trägt das erste Ertragsmerkmal, das mit dieser Methode erzeugt wurde und in der Geschichte von Bayer auf den Markt kommt. Kanadische Landwirte können der Erntezeit jetzt entspannter entgegensehen und müssen sich nicht vor Verlusten fürchten, wenn das Wetter schlechter und der Wind stärker wird. Außerdem können sie ihre Rapsfelder zur optimalen Zeit abernten, ohne sie vorher schwaden zu müssen.

Die Pflanzen können so lange genug reifen. „Und sie bilden hochwertigere Samen, vollere Schoten und dadurch mehr Ertrag“, erklärt Lambert.

Öliger Genuss

Rapsöl ist sehr gefragt fu¨r Salate, zum Frittieren oder in Margarine. Noch bis vor wenigen Jahrzehnten spielte das Pflanzenöl nur eine untergeordnete Rolle im Lebensmittelbereich. Der Grund: Es enthielt Bitterstoffe, beispielsweise die Erucasäure. Kanadische Pflanzenforscher haben 1974 aber eine Rapskultur mit deutlich weniger Bitterstoffen gezu¨chtet. So wurde Rapsöl genießbar.

Raps ist eine relativ junge Nutzpflanze. Da gibt es noch viel Potenzial für Verbesserungen.

Aber auf diesem Erfolg wollen sich die Bayer-Forscher nicht ausruhen: „Raps ist eine relativ junge Nutzpflanze. Da gibt es noch viel Potenzial für Verbesserungen“, so Lambert. Raps wird erst seit den 1970-er Jahren kommerziell angebaut – und hat bereits eine steile Karriere hingelegt.

Die wichtigsten Rapsproduzenten weltweit

Die Weltkarte zeigt die fünf Länder, in denen im Jahr 2012 die größten Rapsmengen (in Millionen Tonnen) produziert wurden. An der Spitze steht Kanada mit 15,4 Millionen Tonnen.

Pilzresistenz: Ideen für weitere Rapssorten gehen nicht aus

Mittlerweile ist die Pflanze weltweit die wichtigste Ölsaat nach Soja. Lambert: „Wir wollen die Rapspflanze schrittweise weiter verbessern.“ Das mutante IND-Gen für starke Schoten wird etwa auch in andere Rapshybride für den europäischen Markt eingebracht. Forscherteams von Bayer CropScience arbeiten außerdem daran, die Ernten weiter zu erhöhen, indem sie die Nährstoffversorgung der Schoten verbessern. Diese Pflanzeneigenschaften können dann über konventionelle Züchtung gezielt kombiniert werden – etwa mit Resistenzen gegen gefährliche Pilzkrankheiten. Lambert: „Und damit sind auch regional angepasste Sorten möglich, mit denen Farmer ganz individuell auf die speziellen Herausforderungen in ihrer Anbauregion reagieren können.“

Pilzresistenz

Für detaillierte Analysen im Labor entnehmen die Forscher den Pflanzen Gewebeproben.