Reis ist in weiten Teilen der Welt ein Grundnahrungsmittel und versorgt nicht nur Milliarden von Menschen täglich mit Kalorien und Nährstoffen, sondern ist auch ein fester Bestandteil ihrer Kultur, insbesondere in asiatischen Ländern. Traditionell als Symbol für Leben und Fruchtbarkeit gefeiert, hat das glänzende Image des Getreides in den letzten Jahren gelitten, seit es als Hauptnahrungsquelle für anorganisches Arsen identifiziert wurde, ein giftiges Spurenelement, das in Gesteinen und Sedimenten auf der ganzen Welt vorkommt.
Arsen gelangt als Nebenprodukt des Bergbaus und des Einsatzes arsenhaltiger Pestizide in die Umwelt. Chronische Exposition erhöht das Risiko für verschiedene Krebsarten sowie Lungen- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Nirgendwo lassen sich die schädlichen Auswirkungen von Arsen besser beobachten als in Bangladesch, wo das, was als nationales Gesundheitsprogramm zur Rettung von Menschenleben begann, in der schlimmsten Massenvergiftung der Geschichte endete.
In der ersten Hälfte des 20th Im 20. Jahrhundert stellten Cholera und andere Infektionskrankheiten eine ständige Bedrohung für die Bevölkerung dar, die auf verschmutzte Flüsse und Seen als Hauptwasserquellen angewiesen war. In den 1970er Jahren unternahmen die Regierung und internationale Hilfsorganisationen massive Anstrengungen, das Land durch den Bau Tausender Brunnen mit „saubererem“ Grundwasser zu versorgen. Weitgehend unbekannt ist jedoch, dass das Grundwasser in Bangladesch von Natur aus einen hohen Arsengehalt aufweist – ein schleichendes Gift, dessen verheerende Wirkung sich erst nach jahrelanger, kontinuierlicher Exposition zeigt. Millionen von Menschen wurden und werden noch immer langsam durch den Konsum von arsenhaltigem Wasser und arsenhaltigem Reis vergiftet. Bangladesch hat mit über 250 kg pro Kopf und Jahr den weltweit höchsten Reiskonsum; die tägliche Ernährung stellt somit einen bedeutenden Weg der Arsenbelastung dar. Das Problem mag in Bangladesch besonders gravierend sein, doch hohe Arsenkonzentrationen in Böden und folglich auch im Reis finden sich unter anderem auch in China, Indien, südostasiatischen Ländern und Teilen der Vereinigten Staaten.
Keine andere Kulturpflanze reichert so viel dieses Elements an wie Reis. Der niedrige Sauerstoffgehalt in den überfluteten Reisböden, auf denen Reis angebaut wird, sorgt dafür, dass Arsen besser für die Aufnahme in die Pflanze verfügbar ist. Da die chemischen Eigenschaften von Arsen denen von Phosphat und Silizium ähneln, für die Reis über hocheffiziente Aufnahme- und Transportsysteme verfügt, reichert es sich im Korn in hohen Konzentrationen an. Das Problem verschärft sich, wenn verunreinigtes Wasser zur Bewässerung von Reisfeldern verwendet wird. Eine Umstellung der landwirtschaftlichen Praxis auf eine, die mehr Sauerstoff im Boden zulässt, ist in vielen tief gelegenen, wassergesättigten Gebieten nicht durchführbar und erhöht außerdem drastisch die Bioverfügbarkeit und Pflanzenaufnahme von Cadmium, einem weiteren hochgiftigen Element, das für die Lebensmittelsicherheit von großer Bedeutung ist.
In einem kürzlich in der Zeitschrift für experimentelle Botanik, Gui und Kollegen haben sich diesem Problem angenommen und gentechnisch veränderter Reis mit geringen Konzentrationen an Arsen und Cadmium im Korn. In Pflanzenzellen werden beide Elemente in der Vakuole gespeichert, einem membrangebundenen Organell, in dem toxische Verbindungen gebunden sind. Bevor die Metalle in die Vakuole transportiert werden, werden sie im Zytosol an kleine entgiftende Moleküle, sogenannte Phytochelatine, gebunden, um ihre Beeinträchtigung von Stoffwechselprozessen zu verhindern. Gui und Kollegen haben Reis erzeugt, der ein Phytochelatin-synthetisierendes Enzym und zwei Transporter überexprimiert, die die Aufnahme von Arsen und Cadmium in die Vakuole erleichtern.
Diese manipulierten Pflanzen sammelten erhöhte Mengen an Arsen und Cadmium in den Wurzeln und Knoten, den verdickten Verbindungen entlang des Stängels, an denen die Blätter entstehen, und verringerten die Verteilung in das Korn erheblich. Tatsächlich lagen die Konzentrationen der toxischen Elemente im Getreide selbst beim Anbau in mit Cadmium und Arsen kontaminierten Böden weit unter den aktuellen Grenzwerten der Weltgesundheitsorganisation, die als unbedenklich für den Verzehr gelten. Wichtig ist, dass die Überexpression dieser Gene keinen Einfluss auf das Pflanzenwachstum und die Fortpflanzung hatte und agronomische Merkmale wie Rispenmorphologie sowie Samengröße und -gewicht durch die Genüberexpression nicht negativ beeinflusst wurden. Die Autoren zeigen überzeugend, dass dies nur durch Gen-Stacking durch den Effekt der gleichzeitigen Überexpression mehrerer ausgewählter Gene in der Pflanze erreicht werden konnte.
Diese Forschung ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie Biotechnologie zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit eingesetzt werden kann. Mit der Unterstützung des Temasek Life Sciences Laboratory und des Temasek Trust strebt das Forschungsteam nun die Kommerzialisierung des Reis mit niedrigem Arsen- und Cadmiumgehalt an, von dem sowohl Reisbauern als auch Verbraucher profitieren. Der Ansatz birgt großes Potenzial zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und zur Rettung von Leben .
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Gui, Y., Teo, J., Tian, D., & Yin, Z. (2024). Gentechnische Herstellung von arsen- und cadmiumarmem Reis. Zeitschrift für experimentelle Botanik, 75 (7), 2143-2155. https://doi.org/10.1093/jxb/erad495.
Mareike Jezek
Dr. Jezek ist stellvertretender Herausgeber des Journal of Experimental Botany, einer der offiziellen Zeitschriften der Society for Experimental Biology.
