Akademiker Zhong Kang: Die Evolutionsgeschichte der Pflanzenzucht: von der wilden Domestizierung zum intelligenten Design

Anmerkung des Herausgebers: Generalsekretär Xi Jinping wies darauf hin, dass „die Popularisierung der Wissenschaft eine wichtige Grundarbeit für die Erzielung innovativer Entwicklung ist.“ Um ein hohes Maß an wissenschaftlicher und technologischer Eigenständigkeit zu erreichen, haben die Abteilung für Wissenschaftspopularisierung der Chinesischen Gesellschaft für Wissenschaft und Technologie und Guangming Online gemeinsam die Kolumne „Popularisierung der Wissenschaft durch Akademiker auf höchstem Niveau“ ins Leben gerufen. Darin werden Akademiker aus verschiedenen Bereichen eingeladen, kompetente Antworten auf aktuelle, brennende Fragen in Wissenschaft und Technologie meines Landes zu geben. Dies soll dazu dienen, mehr Wissenschaftler und Techniker bei der Verbesserung ihrer wissenschaftlichen Forschung und ihrer Fähigkeiten im Bereich der Populärwissenschaft anzuleiten, die Verbesserung der wissenschaftlichen Bildung der gesamten Bevölkerung zu fördern und mithilfe der Populärwissenschaft zum Aufbau eines starken Landes in Wissenschaft und Technologie beizutragen. #10 Millionen IP schafft Wissenschaft und Technologie

Pflanzen sind die wichtigsten Nahrungslieferanten des Menschen. Obwohl es weltweit etwa 30.000 essbare Pflanzenarten gibt, nutzt der Mensch nur 30 davon, um die Welt zu ernähren. Unter ihnen liefern fünf Getreidearten, nämlich Reis, Weizen, Mais, Sorghum und Hirse (wie Kolbenhirse und Sorghum), 60 % der Gesamtenergie für die Weltbevölkerung. 10 Nutzpflanzen liefern 95 % der von Menschen und Haustieren konsumierten Nahrungsmittel.

Wie können wir die Arten, die uns die Natur bietet, effizient nutzen? Von der primitiven Gesellschaft über die Agrargesellschaft bis hin zur modernen Gesellschaft war die Nutzung natürlicher Pflanzenressourcen in den verschiedenen Epochen unterschiedlich. In primitiven Gesellschaften sammelten und aßen wir einfach alle Artenressourcen, die uns in der Natur zur Verfügung standen. In der Agrargesellschaft begannen die Menschen, Arten zu domestizieren.

Beispielsweise wurde Kulturreis aus Wildreis domestiziert. Wildreis neigt stark zum Abwerfen der Körner und ist aufgrund seiner Eigenschaften wie langen Grannen, harten Schalen und der Schwierigkeit der Häutung für den menschlichen Verzehr ungeeignet. Nach Zehntausenden von Jahren der Domestizierung und Selektion hat der Kulturreis Eigenschaften wie große Körner, kürzere oder sogar keine Grannen und einen hohen Ertrag entwickelt.

Der Prozess der Umwandlung von Wildpflanzen in Kulturpflanzen wird als Domestizierung und Züchtung bezeichnet. Nachdem sie zu einer Kulturpflanze geworden ist, werden sich einige Sorten herausbilden, die als „Landwirtssorten“ bezeichnet werden. In einer Zeit, in der es an Wissen über biologische Genetik mangelte, beruhte die Domestizierung und Züchtung von Wildpflanzen ausschließlich auf Erfahrung und gehörte zur Züchtungsära 1.0.

Seit dem 19. Jahrhundert hat die Entwicklung der Biowissenschaften zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Züchtungstechnologie geführt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die genetische Theorie entwickelt und Wissenschaftler begannen, sich mit den Geheimnissen der Vererbung und Variation auseinanderzusetzen. Die gängigste Züchtungstechnologie ist die Hybridisierungstechnologie, wie beispielsweise Hybridmais in den 1930er Jahren. Bislang werden einige Nutzpflanzen hauptsächlich durch genetische Hybridisierung gezüchtet. Die Anwendung dieser genetischen Züchtungstechnologie wird als Züchtung 2.0 bezeichnet. Zu den Nachteilen zählen die geringe Effizienz, die Dauer der Züchtung neuer Sorten über 10 Jahre und die Schwierigkeit, bahnbrechende Sorten auszuwählen.

Nach der Entwicklung der Molekularbiologie begannen die Wissenschaftler zu erkennen, dass die Fortpflanzung tatsächlich durch Gene gesteuert wird. Gene bestimmen, wie ein Organismus aussieht und welche Eigenschaften er besitzt, und sie können dieses Aussehen und diese Eigenschaften auch an seine Nachkommen weitergeben. Aus diesem Grund wurden einige molekularbiologische Technologien, wie beispielsweise die genetische Modifikationstechnologie, auf den Bereich der Züchtung angewendet, d. h., es wurden bestimmte Gene oder bestimmte Genfragmente als Hilfsmittel zur Züchtung verwendet. Wir sprechen hier vom Zeitalter der molekularen Züchtung 3.0.

Durch die molekularbiologische Züchtung konnten das Zuchtniveau und die Effizienz erheblich verbessert werden. Mithilfe der molekularbiologischen Technologie lässt sich schnell feststellen, „welche Gene die Eigenschaften von Nutzpflanzen positiv und welche Gene sie negativ steuern und welche Netzwerkbeziehungen zwischen ihnen bestehen“. Durch genetische Modifikation und Genom-Editierung sind Wissenschaftler in der Lage, wilde Arten innerhalb weniger Jahre schnell zu „domestizieren“ und in neue Arten umzuwandeln, die den Bedürfnissen des modernen Menschen gerecht werden.

Obwohl sich viele unserer Nutzpflanzen noch in der Züchtungsphase 2.0 und 3.0 befinden, hat die Technologie der Genomeditierung mit dem Eintritt ins 21. Jahrhundert die Nutzpflanzenzüchtung in die Phase 4.0 gebracht – Designzüchtung, d. h. basierend auf Genmodulen und ihrer nichtlinearen Kopplungstheorie sowie Ideen der synthetischen Biologie, mit Hilfe der Computerbiologie und der künstlichen Intelligenz, um ideale Sorten zu entwerfen, was den Züchtungszyklus erheblich verkürzt und die Züchtungseffizienz verbessert. Beispielsweise können wir jetzt entwerfen, wie die Reispflanze aussehen soll. Da jede der von uns benötigten Eigenschaften durch den Zustand eines bestimmten Gens bestimmt wird, können wir durch die organische Integration dieser Gene alle benötigten Eigenschaften gleichzeitig in einer Pflanze erreichen. Diese Ernte ist die Sorte, die wir wollen. Die Reiszucht meines Landes ist derzeit international führend und kann zur Sortenentwicklung Genomik und Systembiologie nutzen.

Derzeit vertritt das Land den „Big Food-Ansatz“, der nicht nur Grundnahrungsmittel umfasst, sondern auch das Gemüse und Obst, das wir essen, den Tee, den wir trinken usw. Diese Verbesserungen der Nutzpflanzen sind untrennbar mit der Arbeit unserer Pflanzenwissenschaftler verbunden. Pflanzenwissenschaftler haben mithilfe moderner biologischer Techniken die rasante Entwicklung der Züchtungstechnologie vorangetrieben. Dadurch ist nicht nur die Vielfalt der Nutzpflanzen gewachsen, sondern auch ihr Nährstoffgehalt hat sich auf kreative Weise verbessert. Dies trägt maßgeblich zur Gewährleistung der Ernährungssicherheit und einer stabilen Versorgung mit wichtigen landwirtschaftlichen Produkten bei.

Mit der rasanten Entwicklung der Technologien der Computerbiologie und der synthetischen Biologie wird die Designzüchtung zu einem neuen Trend im zukünftigen Wettbewerb und wird sich in Richtung Intelligenz und Präzision weiterentwickeln. Zu diesem Zweck sollten Wissenschaftler aktiv neue Phänomene erforschen, neue Mechanismen aufdecken, neue Träger konstruieren, neue Technologien entwickeln und neue Forschungssysteme etablieren, um die Entwicklung der Pflanzenwissenschaften umfassend voranzutreiben und zur Ernährungssicherheit und dem Big-Food-Konzept beizutragen.

(Der Artikel wurde von Zhong Kang, einem Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, auf der Veranstaltung „Chinese Society of Cell Biology Popular Science Master Campus Tour“ geteilt, zusammengestellt von den Guangming Online-Reportern Xiao Chunfang und Wu Yuetong.)