Mitte des 20. Jahrhunderts wurden Getreidesorten gezüchtet, die gegen den Schwarzrost-Pilz immun waren. Doch der Sieg über den Schädling war nur ein Etappensieg. Der Pilz kehrte zurück, gefährlicher denn je. Eine ständige Bedrohung für die Welternährung.

Leben: Markus Brauer (mb)

Stuttgart - Zuerst werden Stängel, Blätter und Ähren des Weizens von orangefarbenen Pusteln befallen. Später verfärben sie sich schwarz. Der Schwarzrost-Pilz (lateinisch: Puccinia graminis) unterbricht die Wasser- und Nährstoffversorgung der Ähren. Zurück bleiben ganze Felder schwarz-grün verfärbter Pflanzenreste. Der Albtraum jedes Bauern.

Die letzte großflächige Epidemie ereignete sich 1954 in den USA. Damals vernichtete der Pilz fast 40 Prozent der Weizenernte. In den Jahrhunderten zuvor waren Ernteausfälle bis zu 90 Prozent keine Seltenheit. Es gibt viele Feinde, welche die Ernährung der Menschen bedrohten. Doch Puccinia graminis ist einer der ärgsten Feinde – vor allem des Weizens, der Grundlage menschlicher Ernährung in vielen Ländern.

Das Ausgeliefertsein an die Launen der Natur hat sich erst grundlegend geändert, seit in den späten 1950er-Jahren Forscher unter Leitung des US-Agrarwissenschaftlers Norman Borlaug (1914-2009) Weizensorten züchteten, die gegen Pilze resistent waren. Diese Sorten waren die Grundlage für die Grüne Revolution in der Landwirtschaft ab 1960. Borlaug erhielt 1970 für seine Verdienste um die Welternährung den Friedensnobelpreis.

1999: Der Schwarzrost kehrt zurück – gefährlicher denn je

40 Jahre lang galt der Schwarzrost-Erreger aufgrund neuer resistenter Züchtungen als unter Kontrolle. Doch Puccinia graminis kehrte zurück – gefährlicher denn je. 1999 wurde in Uganda Ug99, eine neue, aggressivere Variante entdeckt – von daher der offizielle Name Ug99 für diesen Stamm. Seitdem sind die Pilzsporen mit dem Wind von Ostafrika in alle Himmelsrichtungen verstreut worden – in den Sudan, nach Äthiopien und Kenia, wo 2007 ein Viertel der Ernte vernichtet wurde. Von dort ging es weiter nach Simbabwe und Südafrika, in den Jemen und Iran.

2013 wurden Fälle auf deutschen Weizenfeldern gemeldet – die ersten Vorkommnisse seit Jahrzehnten der Ruhe. Das Julius Kühn-Institut (JKI), ein Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen mit Sitz in Quedlingburg, konnte zwei Rostpilzrassen identifizieren. Darunter war glücklicherweise aber nicht die berüchtigte Sorte Ug99 oder einer ihrer Abkömmlinge.

Angesichts der Bedrohung schlug die UN-Welternährungsorganisation FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) in Rom Alarm Die weitere Verbreitung dieser brandgefährlichen Pilzvariante sei unausweichlich, warnte FAO-Fachmann David Hodson. „Das Auftauchen der Ug99-Rasse in Ostafrika hat Weizenrost von einer Krankheit, die weitgehend unter Kontrolle war, in eine bedeutende weltweite Bedrohung verwandelt.“

Richard Ward von der Cornell University in New York geht noch weiter: Die Pilz-Mutation gefährdet seiner Ansicht nach die globale Ernährungssicherheit. Sein Kollege Ronnie Coffmann glaubt, dass „wir einem biologischen Feuersturm“ entgegenblicken. Ug99 habe sämtliche Resistenzgene, die weltweit im Weizen verbaut seien, überwunden, erklärt der Mikrobiologe Ralf T. Vögele, Professor für Phytopathologie und Dekan der Fakultät Agrarwissenschaft der Universität Hohenheim in Stuttgart. „Der Stamm hat sich glücklicherweise nur langsam ausgebreitet. Wenn er eine schnellere Ausbreitung gezeigt hätte, dann wäre das zu einem großen Problem geworden.“

Panikmache oder berechtigte Sorge?

Panikmache oder berechtigte Sorge ums tägliche Brot? Da Weizen neben Reis und Mais das wichtigste Grundnahrungsmittel der Menschheit ist, könnte eine Pilzepidemie verheerende Folgen für die globale Versorgung haben. „Ein Einbruch der Weizenproduktion ist wohl unvermeidlich“, erklärt der Biologe Bruno Moerschbacher, Leiter des Instituts für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster. Als Phytopathologe beschäftigt er sich mit Pflanzenkrankheiten. „Selbst wenn der Rückgang nur zehn Prozent beträgt – pessimistische Schätzungen gehen von weit größeren Einbußen aus –, bedeutet das einen Preisanstieg und für viele Länder Hunger.“

Suche nach neuen Strategien

„Ug99 war ein Weckruf“

Seit dem Ausbruch von Ug99 sind mittlerweile 17 Jahre vergangen. Durch Resistenzzüchtungen und entsprechende Pflanzenschutz-Programme habe man das Problem unter Kontrolle gebracht, betont Vögele. So sei derzeit in den USA und China Gelbrost das viel größere Problem. Eine weitere Bedrohung durch Schwarzrost sei aber nur eine Frage der Zeit, weiß der Experte. „Ug99 war ein Schuss vor den Bug, ein Weckruf. Die Lehre daraus ist, dass wir unsere Strategie überdenken müssen.“

Weizenzüchter verwenden bei der Züchtung vor allem vertikale Resistenzgene, die sie einkreuzen. Dabei handelt es sich um dominante Gene, die eine 100 Prozent Resistenz gegen bestimmte Rassen bedingen. Das Verfahren ist Vögele zufolge einfach umzusetzen. „Das Problem ist nur, dass diese Gene nicht stabil sind. Sie werden durch die Pathogene relativ schnell überwunden.“ Normalerweise haben Resistenzgene eine Halbwertszeit von fünf bis zehn Jahren, in der sie Kulturpflanzen vor Schädlingen schützen. Doch manchmal werden sie schon nach dem ersten Anbaujahr unwirksam.

Längst hat die Weltbevölkerung die Sieben-Milliarden-Marke überschritten. Bis 2050 werden neun oder zehn Milliarden Menschen auf der Erde leben und ihr Recht auf Nahrung einfordern. Während die Nahrungsmittelproduktion vielerorts stagniert, wollen immer mehr Menschen satt werden. Fast eine Milliarde Menschen müssen hungern. Indien, das zu den zehn größten Getreide-Exporteuren der Welt gehört, ist zugleich das Land mit den meisten Armen – rund 500 Millionen. Die Ausbreitung von Parasiten werde dazu führen, dass die Zahl der Hungernden weiter zunimmt, ist Moerschbacher überzeugt. „Für uns in den reichen Ländern ist das kein Problem, aber in den armen Ländern führt es zu Hungersnöten. Das ist das Dramatische an der Ausbreitung.“

Biologie als Lösung der Welternährungskrise

Dass die Biologie ein zentraler Faktor bei der Sicherung der Welternährung ist, scheinen viele vergessen zu haben. Bevölkerungswachstum, Spekulanten und Verknappung der Ressourcen scheinen entscheidender zu sein. Aber Pilze, Insekten, Bakterien? Pflanzenkrankheiten, die längst besiegt zu sein schienen, kehren zurück. „Es gibt keinerlei Entwarnung. Es findet auf den Feldern ein Wettrüsten von Pathogen und Pflanze statt“, warnt Molekularbiologe Vögele. Auf Pathogen-Seite sei das die Steigerung der Effektivität, auf Pflanzenseite seien es neue Resistenzen, die Züchter in die Kulturpflanze einbringen. „Wir müssen deshalb nach neuen Strategien suchen.“

Kann es tatsächlich zu einer ernsthaften zu einer Gefährdung der Welternährung kommen? Diese Gefahr sei immer gegeben, meint der Hohenheimer Forscher. Als Phytopathologe erforscht auch er Krankheitserreger bei Pflanzen wie Soja-Rost. Rund 7000 Rostpilzarten gibt es, davon drei, die auf Weizen spezialisiert sind: den Schwarz-, Braun- und Gelbrost.

Derzeit schätzt Vögele die Gefahr einer Ausbreitung der aggressiven afrikanischen Rasse als gering an. Die Geschwindigkeit, mit der Ug99 sich ausbreite, sei bei weitem nicht so dramatisch wie befürchtet, erklärt er. Sehr viel beängstigender sei, dass es überhaupt erst zu einer solchen Situation kommen konnte. Die Züchter hätten sich jahrzehntelang auf Getreide-Gene, die Resistenz gegen den Pilz gewährleisteten, ausgeruht und nicht nach Alternativen geforscht. „Aber zum Glück gibt es ein Umdenken unter Züchtern.“

Grüne Revolution

Durch intensive Forschungen in den 1950er und 1960er Jahren war es, die Pilzerkrankungen zu kontrollieren. Die damals gezüchteten Hochertragssorten führten im Rahmen der Grünen Revolution zu einer deutlichen Steigerung der Ernten. Der Hunger in der Welt schien besiegt. Doch zugleich machten Monokultur und Intensivlandwirtschaft die Pflanzen anfälliger für Schädlinge und Infektionen. Die Rostpilze kehrten zurück und breiteten sich wie ein Flächenbrand in den genetisch weitgehend homogenen Feldern aus.

Da der Schwarzrost-Pilz keinen Frost verträgt, stellt er für Deutschland keine Bedrohung dar. Eine größere Gefahr gehe vom Gelbrost-Pilz aus, der „niedrige Temperaturen mag“, erläutert Moerschbacher. „Auch bei ihm haben sich Mutationen gebildet, die aggressiver sind als die alten Rassen.“

Die Rückkehr dieser „Polio der Landwirtschaft“ führte zur Gründung der Borlaug Global Rost Initiative (BGRI). Sie hat sich zum Ziel gesetzt, die Bedrohung der globalen Nahrungsmittel-Versorgung durch Rostpilze insbesondere beim Weizen zu verringern. Die BGRI wurde zu Ehren des Pioniers der Grünen Revolution Norman Borlaug (1914-2009) benannt. Weltweit versuchen Forscher in einer konzertierten Aktion die Schädlinge zu besiegen. Es ist ein Wettlauf mit der Zeit. Denn die Pilze würden ständig „lernen und immer mehr an Aggressivität gewinnen, so Moerschbacher. „In fünf, sechs Jahren hat er sich an ein Resistenz-Gen gewöhnt.“

Vielversprechende Gen-Forschung

Weltweit versucht man deshalb Pflanzensorten zu entwickeln, die nicht nur wie bisher eines, sondern gleich mehrere Resistenzgene in sich tragen. Die Chance, dass ein Pilz mehrere Gene gleichzeitig überwindet, ist gering. Bisher war die Züchtung größtenteils auf das Einkreuzen von Resistenzgenen aus Wildweizensorten oder anderen Getreidearten beschränkt. „Das ist längerfristig nicht mehr machbar“, so Vögele. Inzwischen denke man über andere Resistenzformen nach, die schwerer zu handhaben seien und mehrere Gene als Grundlage haben.

So versuche man mehrere Gene zusammenzubringen. „Jedes Gen für sich hat eine geringe Resistenz. Aber wenn man mehrere Gene wie bei einer Pyramide oder bei einem Tandem zusammenbringt, erhöht das die gesamte Resistenz. Durch die Entschlüsselung des Weizen-Genoms und durch neue Technologien ist die gezielte Änderung des Erbgutes schneller machbar.“ Rasche Erfolge im Kampf gegen diesen und andere Getreideparasiten wird es aber nicht geben. „Ein Problem erkennen und sofort reagieren, das funktioniert nicht. Neuzüchtungen sind ein sehr langwieriger Prozess.“

Monokulturen und Intensivlandwirtschaft

Weizen, Mais, Reis – Grundlagen der Welternährung

Rostpilze fühlen sich an wie winzige Knubbel auf den Sprossachsen (Stängeln) von Getreidepflanzen wie Weizen, Roggen, Hafer oder Gerste. Eine der Wunderwaffen der Agrarbiologen gegen den Rostpilz ist das aus Roggen eingekreuzte Resistenzgen Sr31 (auch Schwarzrost 31 genannt). Als die ersten Zuchtsorten in den 1960er Jahren auf den Markt kamen, waren Rostpilze keine Gefahr mehr. Sie verschwanden scheinbar spurlos von den Feldern. Heute sind mehr als 90 Prozent der weltweit angebauten Weizensorten mit dem Gen Sr31 ausgestattet.

Da die Landwirte weltweit mit sehr vielen verschiedenen Varietäten arbeiten, ist die Gefahr einer globalen oder regional-großflächigen Ernährungskrise eher gering. „Was in Europa an Weizen verbaut wird, hat überhaupt nichts mit dem zu tun, was in Nordamerika oder Asien verwendet wird“, erläutert Vögele. „Es besteht gute Hoffnung, dass Pathogene nicht ganze Kontinente überwinden können. Es kann deshalb nie zu einem Totalausfall bei der Welternährung kommen, weil immer nur lokal Landwirte oder Regionen betroffen sind.

Fungizide - umweltschädlich und teuer

Selbstverständlich kann man sich auf Fungizide verlassen. Doch abgesehen von den ökologischen Folgen sind Spritzmittel gegen Pilze und andere Parasiten für die meisten Kleinbauern in den Entwicklungsländern nicht erschwinglich. Damit es erst gar nicht zu einer globalen Ernährungskrise kommt, wurde 2005 von Norman Borlaug das Projekt „Durable Rust Resistance in Wheat“ (DRRW) ins Leben gerufen. Es koordiniert die Züchtung rostpilzresistenter Weizensorten. Der beste und umweltfreundlichste Weg, um die Ernährung der Weltbevölkerung langfristig zu sichern. An der Cornell University in New York wird die Arbeit von 22 Forschungsinstituten weltweit koordiniert.

Die hochgezüchteten Weizensorten, die heute weltweit angebaut werden, sind extrem anfällig gegen Schädlinge wie Rostpilze. Auf ihrer Suche nach resistenten Sorten greifen die Forscher auf die Vorfahren des heutigen Hochleistungsweizens zurück. Auch wenn dieses Ur-Getreide heute kaum noch angebaut wird, ist es doch für die Wissenschaft eine genetische Schatztruhe. In der Erbinformation des Einkorns beispielsweise stießen Forscher auf ein Gen namens Sr35. Wie das Gen Sr33 in einer anderen alten Weizensorte ist es resistent gegen Schwarzrost.

Mehr als 200 000 Weizensorten wurden bisher auf ihre Resistenz getestet. Vielversprechende Kandidaten werden miteinander gekreuzt. Sobald bestimmte Resistenzgene eingekreuzt sind, beginnt der Wettlauf zwischen Pflanze und Pilz. Doch nicht nur die Abwehrkräfte gegen Pilze und andere Schädlinge müssen stimmen. Auch der Ertrag, die Anpassungsfähigkeit an das jeweilige Klima und die Qualität des Weizens sind entscheidend. Schließlich wird mehr Nahrung für die wachsende Weltbevölkerung benötigt.

Suche nach resistenten Genen

Die Labore der Gen-Forscher

Was so einfach und nach einer Art moderner Hexenküche klingt, ist in Wirklichkeit an Komplexität und Schwierigkeiten kaum zu überbieten. Das Erbgut des Weizens ist sechs Mal größer als das des Menschen. Um es gezielt zu manipulieren, müssen die einzelnen Gene in den Gen-Strängen lokalisiert und die DNA-Sequenz ermittelt werden. Die Desoxyribonukleinsäure-Moleküle dienen als Träger der Erbinformation.

Die Suche nach resistenten Genen gleicht einem Puzzlespiel, bei dem Abermillionen Teile in der richtigen Reihenfolge und Orientierung zusammengesetzt werden müssen. An Resistenz-Genen gegen potenzielle Schädlinge herrscht im Weizen-Genom kein Mangel. Weizen – eine Zuchtform der Süßgräser – hat mehrere hundert Gene, mit denen er sich gegen Pilze, Bakterien, Insekten und Würmer zur Wehr setzen kann. Allein gegen Schwarzrost sind es schätzungsweise 50.

Das Weizen-Genom wird entschlüsselt

Doch diese Erbinformationen liegen nicht auf dem Präsentierteller. Ein wichtiger Fortschritt war die Enträtselung des Erbguts von Weichweizen im Juli 2014 durch das Internationale Weizen-Genom-Sequenzierungskonsortium (IWGSC), an der auch das Helmholtz-Zentrum in München federführend beteiligt war.

Die Enträtselung des Weizen-Erbgutes sei ein sehr wichtiger Schritt gewesen, unterstreicht Vögele. „Wenn man die gesamte Gen-Sequenz hat, kann man nach ganz bestimmten Mustern in bestimmten Weizen-Wildarten oder Geno-Typen Ausschau halten. Moderne molekularbiologische Methoden machen das möglich.“

Probleme bei der Entschlüsselung macht vor allem die Größe des Genoms. Weizen hat sechs Chromosomensätze und ist mit 17 Milliarden Bausteinen etwa fünf Mal so groß wie das menschliche Genom. „Wir wissen für den Großteil der Gene, was sie machen“, erklärt Klaus Mayer, Leiter der Abteilung für Genom-Biologie am Münchner Helmholtz-Zentrum. Zum ersten Mal stünden Werkzeuge zur Verfügung, um schnell spezifische Gene auf einzelnen Weizen-Chromosomen zu lokalisieren. Damit könnten wünschenswerte Eigenschaften herausgefunden und gezielt zur Züchtung verwendet werden, um zukunftsfähige Sorten zu bekommen.

In den Tank statt auf den Teller

Die weltweite Produktion von Weizen stagniert. „Wir steuern sehenden Auges in eine Nahrungsmittelknappheit hinein“, sagt Mayer. Hinzu kämen Probleme durch den Klimawandel. „Die Ertragssteigerung in den letzten 40 bis 60 Jahren war eklatant, aber sie kam im Wesentlichen durch Agrochemie und Düngung zustande. Das können wir uns nur in der ersten Welt leisten.“

2014 betrug die Weltgetreide-Produktion nach Angaben des Weltagrarberichts der FAO knapp 2,6 Milliarden Tonnen – deutlich mehr im Vergleich zur Ernte 2012 mit 2,3 Millionen Tonnen. Trotz dieses Rekords wurde 2014 nur 43 Prozent des Getreides als Lebensmittel genutzt, 36 Prozent wurde als Tierfutter verwendet und der Rest zu Treibstoff oder anderen Industrieprodukten verarbeitet. Nicht nur bei der Züchtung neuer resistenter Sorten, auch im Umgang mit Nahrungsmitteln muss ein Umdenken stattfinden.

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