Resistenz gegen Viren

Biotechnologie Resistenz gegen Viren

Viruskrankheiten verursachen erhebliche Ausfälle in der pflanzlichen Produktion. Zuverlässige chemische Mittel gegen Viren sind nicht bekannt, der Chemikalieneinsatz richtet sich lediglich gegen die Virusüberträger, zu denen an erster Stelle die Insekten gehören. Abgesehen davon, dass ein intensiver Einsatz von Pflanzenschutzmitteln für die Umwelt nicht unbedenklich ist, werden auch zunehmend Resistenzen bei den Insekten beobachtet. Aber auch manche Virusüberträger, wie der Bodenpilz, der das Rizomania-Virus (s.u.) auf Zuckerrüben überträgt, können chemisch nicht bekämpft werden. Der Rückgriff auf pflanzeneigene Abwehrmechanismen durch konventionelle Züchtung von virusresistenten Formen ist begrenzt. So werden immer noch viele Pflanzen "krank" geerntet. Der Einsatz der Gentechnik kann hier neue Wege zur Vermeidung von Ernteverlusten eröffnen.

Verschiedene gentechnische Strategien werden zur Erzeugung von virusresistenten Pflanzen angewendet, 1986 gelang es erstmals bei einer Tabakpflanze, auf gentechnischem Weg eine Virusresistenz (gegen das Tabak-Mosaik-Virus) zu züchten. Wir wollen uns hier auf diese Prämunisierung konzentrieren, da sie auch die Methode der Wahl bei den virusresistenten Zuckerrüben war, die zur Zeit in Deutschland versuchsweise angebaut werden.

Die "Präimmunität" wurde 1929 erstmals bei Tabakpflanzen beobachtet: Tabakpflanzen, die mit einem nur schwach virulenten (krankheitserregenden) Stamm des Tabak-Mosaik-Virus infiziert worden waren, zeigten bei einer nachfolgenden Infektion mit einem stärkeren Stamm des Virus Resistenz - ganz ähnlich, wie bei einer Schutzimpfung beim Menschen. Die als Prämunisierung (Infektionsimmunität) bezeichnete Technik wird seitdem im präventiven Pflanzenschutz eingesetzt, ist aber mit einigen Nachteilen behaftet. Nur eine, jede einzelne Pflanze komplett (alle Zellen) erfassende künstlich gesetzte Vorausinfektion führt zur völligen Präimmunität, und es lässt sich nicht ausschließen, dass aus dem verwendeten schwach virulenten Stamm der Vorausinfektion eine stark virulente Form wird. Außerdem kann sich die, wenn auch schwache, Virusinfektion nachteilig auf die Entwicklung der Nutzpflanzen auswirken.

Ursache für das Phänomen der Prämunisierung sind in den Pflanzenzellen vorhandene Hüllproteine der Viren. Es müssen also in der Pflanze nicht ganze Viren für den Infektionsschutz vorhanden sein, es genügen deren Hüllproteine. Das hat man bei der Züchtung der virusresistenten Zuckerrübe und bei Tabak, Kartoffel und Tomate beim Einsatz der gentechnischen Methoden ausgenutzt.

Dazu muss zunächst die Erbinformation für das Hüllprotein des entsprechenden Virus vermehrt werden. Besteht die Erbinformation des Virus aus RNA, wird im ersten Schritt die isolierte virale Hüllprotein-RNA mit dem Enzym Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben und dann durch Klonierung vermehrt, um genügend Ausgangsmaterial zu erhalten. Die Hüllprotein-DNA wird dann mit einem geeigneten pflanzlichen Promotor in das Ti-Plasmid des Agrobacterium tumefaciens eingebaut und mittels des Agrobakterien-Systems auf die Pflanze (Protoplasten) übertragen. Die herangezogenen Pflanzen produzieren in allen Zellen Hüllproteine des Virus und sind damit resistent gegen eine Infektion. Der molekulare Mechanismus der Resistenz ist noch nicht genau aufgeklärt.

Wenn Viren Rüben oder andere Pflanzen infizieren, wird ihr Erbmaterial in den Zellen freigesetzt. Die Pflanzen werden so "umprogrammiert", dass sie vor allem Virusbestandteile zur Produktion neuer Viren herstellen: sie produzieren vermehrt virales Erbmaterial und die entsprechenden - in diesem Material codierten - viralen Proteine. Eines dieser Proteine bildet die Virushülle, in die das neue virale Erbmaterial verpackt wird. Die fertigen Viruspartikel können weitere Zellen infizieren, der Kreislauf beginnt von neuem.
Die virusresistente Rübe trägt in ihrem Genom die Gene zur Synthese der viralen Hüllproteine. Diese Hüllproteine verleihen der Pflanze eine Art Immunität. Auf noch nicht geklärte Weise schützen die Hüllproteine die Pflanze nach Virusbefall vor der Ausbreitung der Infektion: Das Virus kann sich nicht mehr vermehren, die Pflanze bleibt gesund.


Die Zuckerrüben, die seit 1993 im Freilandversuch wachsen, wurden auf diese Weise resistent gegen ein Virus gemacht, das die Wurzelbärtigkeit (Rizomania) auslöst. Die Hauptwurzel der befallenen Pflanzen verkümmert, es entstehen, daher auch der Name, Bündel von dünnen Seitenwurzeln. Konventionelle Züchtungsmethoden zeigen nur bedingt Erfolg. Die Krankheit breitet sich weiter aus und führt zu hohen Ernteverlusten im Zuckerrübenanbau. Die bisherigen Ergebnisse der Freilandversuche mit rizomania-resistenten Rüben sind vielversprechend. Wenn die Resistenz stabil in den Pflanzen erhalten bleibt, können innerhalb der nächsten 5-6 Jahre Sorten für die Landwirtschaft gezüchtet werden, denen das Rizomania-Virus nichts mehr anhaben kann.

Auf die chemische Zusammensetzung des Zuckers wird die gentechnische Veränderung keinerlei Einfluss haben, der aus solchen Rüben gewonnene Zucker wird identisch sein mit dem Zucker aus den nicht gentechnisch veränderten, "normalen" Rüben. Dies wird verständlich, wenn man sich zum einen verdeutlicht, dass die Veränderung keinerlei Einfluss auf die Stoffwechselprozesse der Zuckerrübe nimmt, die den Aufbau und die Speicherung des Zuckers betreffen, und sich zum anderen das vierstufige Verfahren der Zuckerherstellung vergegenwärtigt.

Zucker ist seit langem eines der bedeutendsten Lebensmittel pflanzlicher Herkunft. Für den Verbraucher sind die aus der Zuckerrübe bzw. dem Zuckerrohr gewonnene Saccharose - "der Zucker" - und der Traubenzucker (in vielen Früchten) am wichtigsten. Saccharose kommt zwar in vielen verschiedenen Pflanzen vor, technisch wird sie in Mitteleuropa aber ausschließlich aus Zuckerrüben gewonnen (Zuckerrüben wachsen am besten in gemäßigten Zonen, die Bundesrepublik Deutschland nimmt weltweit den ersten Platz im Zuckerrübenanbau ein). Die vorherrschende zuckerliefernde Pflanze in vielen anderen Ländern der Welt ist das Zuckerrohr.
Wie gewinnt man den Zucker aus der Rübe? Vier Schritte sind dazu prinzipiell nötig: Die Saftgewinnung aus Rübenschnitzeln, die Saftreinigung, die Safteindickung und die Zuckerkristallisation. Die im Herbst geernteten Rüben werden erst einmal gründlich gewaschen und in Schneidmaschinen in dünne, lange Schnitzel zerkleinert. In der Extraktionsanlage werden die Schnitzel mit heißem Wasser behandelt. Dabei werden der zuckerhaltige Saft und einige andere pflanzeneigene Substanzen aus den Schnitzeln gelöst. Die übrigbleibenden Schnitzel kommen als Viehfutter zum Einsatz, der gewonnene trübe Saft ist bräunlich und heißt "Rohsaft". Er enthält neben etwa 15-17% Zucker z.B. noch Eiweißstoffe, Salze und Pflanzensäuren, die entfernt werden müssen. Durch abwechselnde Zugabe von gelöschtem Kalk und Kohlensäure wird ein großer Teil dieser Substanzen aus dem Rohsaft ausgefällt und anschließend über Filter entfernt. Aus dem Rohsaft ist damit eine klare hellgelbe Flüssigkeit, der "Dünnsaft", geworden.

Da Zucker nur aus einer hochkonzentrierten Lösung kristallisiert werden kann, wird das Wasser im Dünnsaft solange bei ca. 130°C verdampft, bis ein Trockensubstanzgehalt von fast 75% erreicht ist. Der jetzt zähflüssige, goldgelbe Saft wird als "Dicksaft" bezeichnet. Der Dicksaft wird filtriert und anschließend im sogenannten Zuckerhaus weiter konzentriert, bis er die für das Kristallwachstum erforderliche Zuckerkonzentration besitzt. Die Kristallisation wird unter gleichzeitiger Zugabe von Dicksaft und weiterer Wasserverdampfung fortgesetzt, bis die Kristalle die gewünschte Größe aufweisen.

Anschließend werden die Kristalle vom Sirup (dem restlichen Dicksaft) durch Zentrifugieren mit einem Sieb getrennt. Die im Sieb zurückgehaltenen Kristalle werden gleichzeitig mit heißem Wasser oder Dampf gewaschen, um noch anhaftenden Sirup zu entfernen. Der in dieser ersten Kristallisationsstufe gewonnene Zucker gelangt nach dem Trocknen, Kühlen und Sieben sowie einer Zwischenlagerung in Silos als "Grundsorte" in den Handel.

Der noch im Sirup enthaltene Zucker wird in zwei weiteren Stufen zu Rohzucker und Nachproduktzucker kristallisiert. Der dabei während der Zentrifugation ablaufende Saft wird als Melasse bezeichnet. Die Melasse hat noch einen Zuckergehalt von etwa 50% und enthält alle anderen mit dem Dicksaft ins Zuckerhaus eingebrachten Substanzen. Sie wird vielfältig, z.B. zur Backhefeproduktion oder für die Tierfütterung, genutzt.

Rohzucker und Nachproduktzucker werden mit Wasser aufgelöst und filtriert. Die filtrierte Lösung, ein klarer, nur noch schwach gelb gefärbter Sirup, wird als "Kläre" bezeichnet. Nach dem Verdampfen wird hieraus ein besonders reiner Zucker, die Raffinade, gewonnen. Die Raffinade wird ebenso wie der Rohzucker getrocknet, gekühlt, gesiebt und in Silos zwischengelagert, bevor sie in den Handel gelangt.

Die für die Zuckerherstellung eingesetzten Zuckerrüben enthielten ursprünglich etwa 5-6% Zucker. Der Zuckergehalt ist durch Züchtung auf mehr als 15% gesteigert worden, zur Herstellung von 1 kg Zucker braucht man ungefähr 7 kg Rüben. Die Beurteilung der Zuckerqualität erfolgt nach verschiedenen Gesichtspunkten; so muss er richtig trocken sein und die Kristalle müssen eine einheitliche Körnung aufweisen. Selbstverständlich spielt auch die Reinheit eine wichtige Rolle. Sie wird genau überprüft.

Das Verfahren der Zuckerherstellung stellt sicher, dass Zucker in hoher Reinheit (99,9%) hergestellt werden kann (vor allem die Kristallbildung selbst kann nur mit hochreinem Zucker erfolgen). Die verbleibenden Substanzen machen weniger als ein Zehntel Prozent aus (der Proteingehalt ist kleiner als ein Tausendstel Promille) und lassen sich unabhängig vom Ausgangsmaterial in Art und Menge analytisch nicht unterscheiden. Nucleinsäuren bzw. deren Spaltprodukte konnten bisher nicht im Zucker nachgewiesen werden. Wenn also einmal virusresistente Rübensorten als Ausgangsmaterial für die Zuckerproduktion eingesetzt werden, so wird dies keinen Einfluss auf den Zucker haben.


Quelle: BLL