Der Einsatz von Gentechnik in der Landwirtschaft und in Lebensmitteln
Canola (Kanadisches Öl, säurearm) für den menschlichen Verzehr wurde in den frühen 1970er Jahren in Manitoba durch konventionelle Pflanzenzüchtung aus Raps entwickelt, um es von natürlichem Rapsöl zu unterscheiden, das einen viel höheren Erucasäuregehalt aufweist. Bis 1998 wurde durch Gentechnik eine krankheits- und trockenheitsresistentere Sorte entwickelt. Heute wird Canola in Kanada, den USA und anderen Ländern in großem Umfang angebaut und von der US Food and Drug Administration (USFDA) allgemein als sicher anerkannt. 2013 wurde Canola-Öl in Säuglingsnahrung mit einem Anteil von bis zu 31 % an der Gesamtfettmischung zugelassen.
Weitere weit verbreitete gentechnisch veränderte Produkte sind Mais und Sojabohnen aus gentechnisch veränderten Pflanzen. Das Herbizid Glyphosat hemmt das Enzym 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat-Synthase, das in Pflanzen, Pilzen und Bakterien, nicht aber in Tieren vorkommt. Dieses Enzym ist ein wichtiger Schritt bei der Bildung von Hormonen durch die Produktion aromatischer Aminosäuren. Der Einsatz des Breitbandherbizids wurde mit der Entwicklung von Roundup® ready (gentechnisch veränderten) Sojabohnen und Mais, die das Glyphosat-N-Acetyltransferase-Gen enthielten, wesentlich weiter verbreitet. Bei der Anwendung des Herbizids werden diese gentechnisch veränderten Pflanzen nicht beeinträchtigt, aber bestimmte Unkräuter werden abgetötet. Heute sind verschiedene kommerzielle Glyphosatprodukte in der Lage, mehr als 100 breitblättrige und grasartige Unkräuter zu bekämpfen. Toxikologische Studien haben gezeigt, dass sich in den essbaren Teilen der gentechnisch veränderten Pflanzen zwar neue Metaboliten bilden, die bei konventionellen Pflanzen nicht beobachtet wurden, die Gemeinsame FAO/WHO-Tagung über Pestizidrückstände kam jedoch zu dem Schluss, dass der kurz- oder langfristige Verzehr dieser Waren oder ihrer Produkte für die menschliche Gesundheit unbedenklich ist. Die Zahl der weltweit zugelassenen gentechnisch veränderten Nutzpflanzen wird voraussichtlich von 30 im Jahr 2009 auf 110 im Jahr 2015 ansteigen. Selbst in Europa, wo die Besorgnis der Bevölkerung gegenüber gentechnisch veränderten Lebensmitteln am größten ist, werden jährlich etwa 30 Millionen Tonnen gentechnisch veränderter Pflanzen importiert, und viele herbizidresistente Maissorten dürfen jetzt in der Europäischen Union (EU) angebaut werden. Glyphosat wird jedoch nur langsam von Bodenmikroorganismen abgebaut und kann ein Risiko für die Verunreinigung des Wassers darstellen. Außerdem gibt die Resistenz einiger Unkrautarten gegen das Herbizid zunehmend Anlass zur Besorgnis.
Eine weitere erfolgreiche Anwendung der GVO-Technologie ist die Einfügung eines Gens für das biologische Pestizid, das von Bacillus thuringiensis (Bt), einem engen Verwandten des weit verbreiteten Boden- und Staubbakteriums Bacillus cereus, produziert wird. Bt wurde erstmals 1901 in einer Kolonie kranker oder sterbender Seidenraupen in Japan beobachtet. Der Hauptunterschied zwischen Bt und B. cereus besteht darin, dass Bt ein Endotoxin produziert, das Lepidoptera tötet. Dies wird durch das Protein-Toxin erreicht, das während der Sporenbildung als Parasporenkörper („Kristall“) im Bakterium vorkommt. Die Proteasen des Insektendarms aktivieren die Toxinproteine, so dass sie sich an Rezeptoren binden und die Mitteldarmzellen beeinflussen können, indem sie Poren im Verdauungstrakt der Larve (Hemocoel) bilden. Durch diese Poren können natürlich vorkommende Darmbakterien in das Hämocoel eindringen, wo sie sich vermehren und eine Sepsis verursachen. Das Bt-Toxin in Form von sprühgetrocknetem, benetzbarem Pulver der Bt-Kultur wurde in den 1950er Jahren kommerziell verfügbar und wurde in Kanada in großem Umfang als Sprühmittel über weite Gebiete von Wäldern eingesetzt, die vom Fichtenknospenwurm und vom Zigeunerspinner befallen waren. In der Forstwirtschaft hatten die Bt-Stämme jedoch Mitte der 1980er Jahre die wichtigsten chemischen Pestizide zur Bekämpfung des Fichtenknospenwurms und des Schwammspinners in Ontario, Quebec und den Atlantikprovinzen praktisch ersetzt. Seitdem wurden verschiedene Modifikationen vorgenommen, um bestimmte Insekten, vor allem zerstörerische Raupen, zu bekämpfen. Bei Nahrungs- und Futterpflanzen wurde Bt jedoch nur in begrenztem Umfang eingesetzt, hauptsächlich zur Bekämpfung von Kohlraupen, des Tomatenhornwurms, des Maiszünslers, der Luzerne-Raupe und des Luzerne-Webwurms. Bt kann über Bewässerungssysteme oder als Granulat ausgebracht werden. Die verfügbaren Daten deuten darauf hin, dass die Sporen unter Feldbedingungen Monate bis Jahre im Boden verbleiben können, aber es ist wenig über die Langlebigkeit des Toxins im Boden oder im Wasser bekannt.
Zwei Isolate dieser Gattung sind hochaktiv gegen Insekten von großer wirtschaftlicher Bedeutung; Bt subsp. kurstaki greift Lepidopteren an und Bt subsp. israelensis tötet Moskitos und Kriebelmücken. Der Stamm Bt kurstaki wird am häufigsten als Spritzmittel zur Bekämpfung von Raupen auf Gemüse verwendet. Bt-Insektizide sind die einzigen bakteriellen Insektizide, die in großem Umfang eingesetzt werden, und ein Vorteil ist, dass sie weder Bestäuber wie Bienen noch Räuber oder Parasiten der betreffenden Schädlinge angreifen. Im Jahr 2012 führte die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit eine Risikobewertung des Bt-Kurstaki-Stamms durch und kam zu dem Schluss, dass das Gesundheitsrisiko für Säugetiere, Reptilien, Amphibien, Vögel, Algen und terrestrische Arthropoden, die keine Schmetterlinge sind, und wahrscheinlich auch für Bodenmikroorganismen gering ist. Aus der Sicht der GVO ist Bt-Mais eine Maisvariante, die gentechnisch verändert wurde, indem das Gen für das Bt-Toxin in das Maisgenom eingefügt wurde, um den Europäischen Maiszünsler und in jüngerer Zeit den Maiswurzelwurm zu töten. Im Gegensatz zu Bt setzen transgene Pflanzen wie Mais das Bt-Toxin nicht frei. Stattdessen muss die Zelle von dem Insekt verdaut werden, um den Wirkstoff im Darm freizusetzen. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem gesprühten Bt dar, da es nicht durch Sonnenlicht abgebaut oder vom Regen weggespült werden kann. Die meisten gespritzten Formulierungen verlieren mit der Zeit an Wirksamkeit, vielleicht einige Tage oder Wochen nach der Anwendung, im Gegensatz zur gentechnisch veränderten Version, die ein Leben lang wirksam ist. Ein Risiko besteht jedoch darin, dass Insekten, die dem gentechnisch veränderten Bt-Präparat ständig ausgesetzt sind, eine Resistenz gegen Raubinsekten entwickeln können.
Obwohl Insekten in Laborexperimenten in der Lage sind, ein hohes Maß an Resistenz zu entwickeln, wurde dies bei gespritzten Pflanzen nicht in großem Umfang beobachtet. Heute ist man sich allgemein einig, dass die „Hochdosis-/Fluchtstrategie“ der vielversprechendste und praktischste Ansatz ist, um die Wirksamkeit von Bt-Toxinen zu verlängern. Dies erfordert toxinfreie Wirtspflanzen als Zufluchtsorte in der Nähe von insektiziden Kulturen und Toxindosen, die hoch genug sind, um Insekten zu töten. Mehr als ein Jahrzehnt nach der Markteinführung von Bt-Pflanzen sind die meisten Populationen der Zielschädlinge nach wie vor anfällig, aber bei einigen Populationen von drei Mottenarten, die sich von Bt-Mais in Puerto Rico und Südafrika sowie von Bt-Baumwolle im Südosten der USA ernähren, wurde eine im Feld entwickelte Resistenz nachgewiesen. Die Ergebnisse in der Praxis stimmen mit den theoretischen Vorhersagen überein, die darauf hindeuten, dass zu den Faktoren, die die Resistenz verzögern, die rezessive Vererbung der Resistenz, reichlich vorhandene Zufluchtsorte mit Nicht-Bt-Wirtspflanzen und Bt-Pflanzen mit zwei Giften gehören, die getrennt von Bt-Pflanzen mit einem Gift eingesetzt werden. Der Einsatz von Bt-Pflanzen ist weltweit weit verbreitet und wird auf mehr als 32 Millionen Hektar angebaut, darunter Bt-Baumwolle und Bt-Kartoffeln. Sogar in einigen Ländern, die Bedenken gegen gentechnisch veränderte Lebensmittel im Allgemeinen haben, wie z. B. in der EU, ist die Verwendung von transgenen Bt-Pflanzen erlaubt, und es ist wahrscheinlich, dass ihre Verwendung in Zukunft zunehmen wird. Weitere in den USA und einigen anderen Ländern zugelassene GVO sind Baumwolle, die gegen das Herbizid Bromoxynil resistent ist, Tomaten mit verzögerter Reifung, Kürbisse, Zucchini und Papaya, die so verändert wurden, dass sie gegen Viren resistent sind (80 % der hawaiianischen Papaya sind gentechnisch verändert, weil es immer noch keine konventionelle oder biologische Methode zur Bekämpfung des Ringspot-Virus gibt). Glyphosatresistente Zuckerrüben wurden in Australien, Kanada, Kolumbien, der EU, Japan, Korea, Mexiko, Neuseeland, den Philippinen, der Russischen Föderation, Singapur und den USA zugelassen.
Das Potenzial dieser Technologie kann auch zur Verbesserung der Ernährung, z. B. der Vitaminproduktion, genutzt werden; ein gutes Beispiel dafür ist der im Jahr 2000 erzeugte „Goldene Reis“, eine gentechnisch veränderte Sorte von Oryza sativa, die in den essbaren Teilen des Reises Beta-Carotin, eine Vorstufe von Vitamin A, produziert. Goldener Reis wurde durch die Transformation von Reis mit zwei Genen für die Beta-Carotin-Biosynthese erzeugt: Phytoen-Synthase aus einer Narzisse und crtI aus einer Erwinia-Spezies, und er hat tatsächlich eine goldene Farbe, die sich deutlich von nicht gentechnisch verändertem Reis unterscheidet. Der Grund für die Forschung war, diese Sorte in Regionen wie Afrika und Indien anzubauen, wo jedes Jahr Tausende von Kindern an Vitamin-A-Mangel sterben. 2005 wurde eine neuere Sorte entwickelt, die viel mehr Beta-Carotin produziert, aber leider wird weder die ursprüngliche noch die neuere Version bisher für den menschlichen Verzehr angebaut. Das Konzept der Anreicherung von Vitamin A mit gentechnisch veränderten Pflanzen wird von vielen als kostengünstigere und praktischere Alternative zu Vitaminpräparaten oder einer Umstellung der Ernährung auf einen höheren Verzehr von Gemüse und tierischen Erzeugnissen angesehen.
Die üblichen Bedenken gegen gentechnisch veränderte Pflanzen wurden auch in Bezug auf Goldenen Reis geäußert: Ausbreitung von gentechnisch veränderten Genen in der Umwelt; Verlust lokaler Sorten und der biologischen Vielfalt; Öffnung der Tür für weitere umstrittene GVO; obszöne Gewinne multinationaler Unternehmen auf Kosten derjenigen, die sich die Kosten für das Saatgut am wenigsten leisten können; und Vitamin A könnte aus anderen Nahrungsquellen gewonnen werden. Andere Gegner haben argumentiert, dass Erwachsene und Kinder übermäßige Mengen von Goldenem Reis essen müssten, um einen Nutzen zu haben. Jüngste Versuche haben jedoch gezeigt, dass Goldener Reis genauso viel Vitamin A liefert wie Nahrungsergänzungsmittel und besser als das natürliche Beta-Carotin in Spinat. Um eine breite Anwendung zu ermöglichen, haben die GVO-Unternehmen nun zugestimmt, dass die Landwirte das Saatgut kostenlos erhalten und wieder anbauen können, sofern sie nicht mehr als 10 000 USD pro Jahr mit der Pflanze verdienen. Es wurden Feldversuche durchgeführt, und man hofft, dass der Goldene Reis die behördlichen Auflagen für seine Produktion erfüllen und 2015 auf den Markt kommen wird.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung der GVO-Technologie ist die Herstellung und Bereitstellung von Impfstoffen durch GV-Pflanzen. Ausgewählte DNA von Hepatitis-B- und Cholera-Viren, die in Bananensetzlinge injiziert werden, könnten es der Pflanze ermöglichen, antigene Proteine ohne jegliche Infektionskomponente zu produzieren. Durch den Verzehr dieser Bananen (und einiger anderer modifizierter Gemüsesorten wie Kartoffeln und Karotten) würden beim Verbraucher Antikörper zur Bekämpfung dieser Krankheiten gebildet, ähnlich wie bei der Injektion oder Einnahme eines herkömmlichen Impfstoffs. Dies könnte ein effizienterer und kostengünstigerer Weg sein, um große Bevölkerungsgruppen gegen bestimmte Krankheiten zu impfen.
Die Forschung im Bereich der gentechnischen Veränderung von Pflanzen wird sich in Zukunft beschleunigen, und einige der Ergebnisse könnten sich als wirtschaftlich und ökologisch akzeptabel für Regierungen und die Öffentlichkeit erweisen. Einige Pflanzen und Bäume könnten so konstruiert werden, dass sie große Mengen an Kohlenstoff binden, der dann in Wurzeln und Stämmen gespeichert wird. Mehrjährige Gräser wie Switchgrass und Miscanthus haben aufgrund ihres ausgedehnten Wurzelsystems möglicherweise das größte unmittelbare Potenzial. Andere Beispiele sind gentechnisch veränderte Bäume, die schneller wachsen, besseres Holz liefern, z. B. für den Bau und für Biokraftstoff, Schädlingsinvasionen und extremen klimatischen Bedingungen widerstehen und sogar biologische Angriffe erkennen, indem sie Bäume entwickeln, die ihre Farbe ändern, wenn sie einer biologischen oder chemischen Kontamination ausgesetzt sind. Umweltbedenken werden jedoch eine großflächige Einführung dieser Verfahren verhindern, zumal die von Bäumen freigesetzten Pollen in großen Gebieten nicht kontrollierbar sind.