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Agrogentechnik und Biotechpflanzenproduktion : Entwicklung, Stand und Zukunftspotential
(2016) Kuhn, Ekkehard
Pflanzen sind die Nahrungsgrundlage für Mensch und Tier und werden es bleiben. Was unverfälschte Natur zu bieten hat, konnte nie befriedigen, doch war ein langer, weit in die vorchristliche Zeit zurückreichender Weg zurückzulegen, um von essbaren Wildpflanzen und einfachen Landrassen zu den heutigen Hochleistungssorten bei Getreide, Soja, Raps und anderen zu gelangen. Auch heute ist das Potential der klassischen Pflanzenzüchtung noch keineswegs erschöpft. Genomsequenzierung, auf molekulare Marker gestützte Identifizierung züchterisch wertvoller Merkmale und andere früher unbekannte Methoden können Züchtungsprogramme vereinfachen und die Sortenentwicklung beschleunigen. Es bleibt aber eine prinzipielle Schranke, welche die konventionelle Pflanzenzüchtung von wenigen Ausnahmen abgesehen nicht überwinden kann: Sie kann die Artgrenzen nicht überspringen und bleibt auf die Nutzung des arteigenen Genvorrats angewiesen. Das änderte sich um 1985, als es erstmals gelang, bakterielle Gene in dafür gut geeignete Modellpflanzen wie den Tabak einzuführen und zwar so, dass sie „exprimiert“ wurden, d. h. ein funktionelles Proteinprodukt lieferten und sich stabil an die sexuellen Nachkommen dieser ersten transgenen Pflanzen vererbten. Zehn Jahre später begann der kommerzielle Anbau von herbizidresistentem und wenig später insektenresistentem Mais in den USA und Kanada. Es war die Geburtsstunde der Agrogentechnik. Heute werden transgene Kulturpflanzen dort, wo ihre prinzipiellen Gegner weniger Einfluss haben als hierzulande, auf mehr als 180 Millionen ha Ackerland angebaut. Mehr als eine Milliarde Menschen und ein Mehrfaches an Nutztieren haben sich bis heute von „Genpflanzen“ und daraus hergestellten Nahrungs- und Futtermitteln ernährt. Der Grund für den Erfolg der neuen Technik liegt darin, dass sie messbare wirtschaftliche und ökologische Vorzüge hat, die sich in niedrigeren Umweltbelastungen, höheren Erträgen und deutlichen Einkommensverbesserungen der landwirtschaftlichen Betriebe niederschlagen. Während man die Vorteile der Agrogentechnik heute leicht erkennen kann, sind die ihr zugeschriebenen Risiken spekulativ geblieben. Es gibt weder zwingende theoretische Argumente noch praktische Erfahrungen, die dazu berechtigen, der gentechnischen Pflanzenzüchtung ein gegenüber traditionellen Verfahren größeres Gefahrenpotential zuzuschreiben. Ihre realisierbaren Anwendungen gehen über den gegenwärtig noch dominierenden Anbau herbizid- und insektenresistenter Ackerpflanzen weit hinaus. Sie umfassen Nahrungspflanzen mit erhöhter Krankheitsresistenz, verbesserter Trockentoleranz, besserer Verträglichkeit aus ihnen hergestellter Lebensmittel, ausgeglichenem Gehalt an Aminosäuren, Vitaminen und Spurenelementen ebenso wie Industriepflanzen zur Produktion von Grund- und Wirkstoffen für die Chemie- und Pharmaindustrie. An diesen Entwicklungen arbeiten öffentliche und private Forschungseinrichtungen überall in der Welt. Der Mangel an nutzbarem Ackerland, Trinkwasser und sich abzeichnende Folgen des Klimawandels für die Landwirtschaft erzeugen einen wachsenden Druck zur möglichst wirkungsvollen Nutzung aller verfügbaren Ressourcen. Zwar kann die Agrogentechnik das Welternährungsproblem ebensowenig dauerhaft lösen wie irgendeine andere Technik, solange das exponentielle Wachstum der Erdbevölkerung nicht zum Stillstand kommt. Sie vermag aber die Folgen der Übervölkerung abzumildern; denn sie leistet einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Grundversorgung und zu einer effizienteren, die Naturvorräte schonenden Landwirtschaft. Die Verdrängung der konventionellen Sorten durch transgene wird deshalb weitergehen. Transgene Ackerpflanzen der ersten Generation, die überwiegend nur ein transgenes Merkmal tragen, werden gegenwärtig rasch durch modernere Stapelsorten ersetzt, die zwei oder mehrere Transgene exprimieren. Sie sind oft herbizidtolerant und gleichzeitig gegen alle wichtigen Schädlinge resistent, die in den jeweiligen Anbaugebieten vorkommen. Gleichzeitig kommen immer mehr Sorten auf den Markt, die nicht nur für die Produzenten Vorteile haben sondern auch ernährungsphysiologisch wertvoller sind als ihre konventionellen Vorläufer. Am Ende dieser Entwicklung werden die konventionellen Sorten auf dem Agrarweltmarkt kaum noch eine Rolle spielen. Dieses Buch behandelt Geschichte, Methoden, Entwicklungsstand und Zukunftspotential der Agrogentechnik, beschreibt typische Vertreter dieses Kulturpflanzentyps und gibt anhand ausgewählter noch im Versuchsstadium stehender Prototypen einen Ausblick auf die kommende Entwicklung und ihre absehbaren Auswirkungen auf die Tier- und Pflanzenproduktion.
Physiological and molecular mechanisms of fruitlet abscission in mango
(2015) Hagemann, Michael Helmut; Wünsche, Jens Norbert
Compared to the typical high initial fruit set of mango (Mangifera indica L.), only a small share of those fruits reach harvest-maturity. This extensive fruitlet drop is a major yield-limiting factor, leading to substantial economic losses for mango growers world-wide. The numerous causes of fruitlet drop include infections with pests or diseases and unsuitable environmental or crop management conditions. Due to the high impact of fruitlet drop for mango production, the overall objective of this study was to further the understanding of the underlying mechanisms and to develop strategies for reducing fruitlet drop in mango. Different experimental approaches have been applied to reduce mango fruitlet drop, however, almost as numerous methods have been used for data interpretation, which makes the comparison of data between studies difficult. Therefore a model was developed for defining the timely pattern of fruitlet drop more generally, thus allowing inter-study comparisons of results. The model was tested and validated by monitoring the fruitlet drop in different management systems: traditional monocropping orchard versus 1) intercropping; 2) irrigation; and 3) plant growth regulator applications, respectively. The timely pattern of fruitlet drop was best described with a sigmoid function, which also formed the basis for defining the post-bloom, the midseason and the pre-harvest fruitlet drop stage. Results of the crop management evaluation show that intercropping of maize with mango has no detrimental effect on fruitlet drop. Irrigation resulted in approximately three times higher fruit retention compared with the non-irrigated control. A single application of 40 ppm 1 naphthaleneacetic acid at the end of the post-bloom drop stage resulted consistently in the highest fruit retention. The developed model permits for example the evaluation the treatment efficacies during midseason drop or yield forecasting at the beginning of the pre-harvest stage. It was suggested that especially during the midseason drop stage tree resources are limited, which results in inter-organ concurrence and subsequently induces fruitlet drop. This is supported by the current findings that during midseason drop mango trees show low rates of photosynthesis, which indicates drought stress. Such stress can induce ethylene-dependent fruitlet abscission. Therefore the ethylene releasing substance ethephon was used in order to study the onset and time-dependent course of fruitlet abscission. The results show that ethephon at a concentration of 7200 ppm (ET7200) is a reliable abscission inducer. The experiment was extended using ethephon at an additional concentration of 600 ppm (ET600). Both ethephon treatments reduced significantly the capacity of polar auxin transport (PAT) in the pedicel at 1 day after treatment (DAT) and thereafter compared to untreated pedicels. The transcript levels of the ethylene receptor genes MiETR1 and MiERS1 were significantly upregulated already at 1 DAT in the ET7200 while only at 2 DAT in the ET600 when compared to the control fruitlets. Specifically, a significant increase of MiETR1 in the pericarp at 2 DAT and of MiERS1 in the pedicel at 2 and 3 DAT was induced by ET600. In contrast, both genes were significantly upregulated in both tissues, except MiETR1 in the pedicel, at 1 DAT and thereafter by ET7200. The last parameter that significantly changed in response to the ethephon treatments was the concentration of sucrose in fruitlet pericarps, which was reduced at 2 DAT compared to control fruitlets. Based on these results, it is postulated that the ethephon-induced abscission process commences with a reduction of the PAT capacity in the pedicel, followed by an upregulation of ethylene receptors and finally a decrease of the sucrose concentration in the fruitlets. Ethylene receptors are key elements of abscission and other processes of the plants life cycle. Therefore the ethylene receptors were further studied at the molecular level in mango. Additionally to the previously known receptors MiETR1 and MiERS, two novel versions of the MiERS1 were identified in mango. These receptor genes, MiERS1m and MiERS1s, translate into truncated proteins with deletions of functional domains and show different expression patterns compared to MiERS1. The receptors were further studied through transient expression of fluorescent fusion proteins in the leaves of the model plant tobacco. All receptors are localized at the endoplasmic reticulum. Specific dimerization assays via bi-molecular fluorescence complementation indicate, that MiERS1m can dimerize with itself and with MiERS1, but not with MiETR1. In contrast, no dimerization of MiERS1s with the other receptors could be detected.