Ernte auf Knopfdruck – Neuer Gen-Schalter macht Pflanzen steuerbar wie Maschinen

Ein externes Signal genügt – und Pflanzen beginnen zu reifen, wachsen schneller oder trotzen der Trockenheit. Forscher der Colorado State University (CSU) haben einen Gen-Schalter entwickelt, mit dem sich wichtige Eigenschaften bei Pflanzen gezielt ein- oder ausschalten lassen. Reifung auf Knopfdruck, Dürreschutz auf Abruf – das klingt nach einem Werkzeug, das die Landwirtschaft verändern könnte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Synthetic Biology veröffentlicht.

Was diesen Durchbruch so besonders macht: Zum ersten Mal funktioniert so ein Schalter nicht nur in Bakterien oder Hefezellen, sondern auch in ausgewachsenen Pflanzen. Bisher war das undenkbar – denn eine Pflanze besteht aus vielen verschiedenen Geweben, Organen und Zelltypen. Umso bemerkenswerter ist das, was jetzt gelungen ist.

Gen-Schalter aktiviert Gene in allen Teilen der Pflanzen

Der Gen-Schalter wirkt im gesamten Organismus – also in Wurzeln, Blättern und Früchten. Er funktioniert ähnlich wie ein Lichtschalter: Ein externes Signal reicht, um ein bestimmtes Gen an- oder auszuschalten. Und das nicht nur lokal, sondern in der ganzen Pflanze. Es ist das erste Werkzeug dieser Art, das gezielt in komplexen Pflanzenkörpern einsetzbar ist.

„Die vielzellige Natur einer Pflanze – ihre Wurzeln, Gewebe, vegetative und reproduktive Organe – macht es zu einer komplexen Herausforderung, die wir endlich überwinden können“, sagt die Biologieprofessorin June Medford.

Gezielte Steuerung bei Trockenstress oder Fruchtreife

Wozu das gut sein soll? Zum Beispiel in Zeiten des Klimawandels: Wenn eine Hitzewelle droht, könnten Landwirte den Dürreschutz aktivieren. Wenn eine frühe Ernte nötig ist, weil Unwetter drohen, könnten Früchte gezielt schneller reifen. All das wäre steuerbar – nicht mit Chemie, sondern mit einem Signal, das Gene gezielt aktiviert oder abschaltet.

„Landwirte könnten den Zustand ihrer Pflanzen kontrollieren, indem sie einen Schalter einschalten, der die Dürretoleranz fördert“, erklärt Chemieingenieur Ashok Prasad. Oder, wie er es formuliert: „Einen Schalter, der Pflanzen wie Kürbisse früher im Jahr wachsen lässt und gleichzeitig Größe und Nährwert erhält.“ Die genveränderten Pflanzen wurden über einen Zeitraum von zwölf Tagen beobachtet, um die Reaktionen messbar zu machen.

Versuch zeigt Wirkung: Schalter regt Gene in allen Zellen an

Die Ergebnisse sind klar: Die Gene reagierten nicht nur an der Stelle, an der sie eingefügt wurden, sondern im ganzen Pflanzenkörper. Das bedeutet: Ein einziges Signal reicht aus, um einen Effekt in der gesamten Pflanze auszulösen. Und das gezielt – ohne ungewollte Nebenwirkungen.

Diese Arbeit ist ein vielversprechender erster Schritt, um Pflanzen so zu programmieren, dass sie all das tun können, was vorher nicht möglich war.

June Medford

Pflanzen-Gen-Schalter soll künftig mit KI weiterentwickelt werden

Noch steckt der genetische Kippschalter in den Kinderschuhen. Doch das Potenzial ist groß – auch über die Landwirtschaft hinaus. Die Forscher planen, ihre Methode weiter zu verfeinern. In Zukunft könnte künstliche Intelligenz die Steuerung der Gene übernehmen. Sensoren könnten Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Bodenbeschaffenheit messen und daraufhin automatisch den passenden Schalter aktivieren.

Die Anwendungen dieses Durchbruchs sind nahezu grenzenlos für die Menschheit und die Umwelt.

Ashok Prasad

Auch für Hobbygärtner und Ernährung könnte die Technik wichtig werden

Die Forschung richtet sich nicht nur an Großbetriebe. Auch im kleineren Maßstab könnte sie genutzt werden. Denkbar wären etwa Tomaten, die im eigenen Garten reifen, wenn es am besten passt. Oder Salat, der bei Hitze nicht sofort welkt, sondern stabil bleibt. Auch auf den Nährstoffgehalt könnten gezielte Gensteuerungen Einfluss nehmen.

Besonders in einer Zeit, in der Ernährungssicherheit zunehmend ins Wanken gerät, wächst das Interesse an solchen Lösungen. Je robuster und planbarer Pflanzen werden, desto besser lassen sich Engpässe vermeiden.

Kurz zusammengefasst:

• Zum ersten Mal haben Forscher einen Gen-Schalter in ausgewachsenen Pflanzen eingesetzt, der einzelne Gene gezielt ein- oder ausschaltet – und das in allen Pflanzenteilen.
• Entwickelt wurde das System an der Colorado State University. Es reagiert auf ein äußeres Signal und könnte in Zukunft helfen, Reifezeiten, Dürreschutz oder Nährstoffprofile präzise zu steuern.
• Möglich wurde der Durchbruch durch eine Kombination aus Biologie, Mathematik und Algorithmik. Die Forscher wollen das System künftig mit künstlicher Intelligenz weiterentwickeln.

Übrigens: Sprachmodelle aus der KI-Forschung können inzwischen pflanzliche DNA lesen wie Sätze – und zeigen, welche Gene für Blüte, Wachstum oder Dürreschutz wichtig sind. Mehr dazu in unserem Artikel.

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