Weltweite Schokoladenversorgung durch Krankheit bedroht – neue Kakaopflanze bietet Lösung
Schokoladenliebhabern mag es vielleicht nicht bewusst sein, doch die Zukunft eines der beliebtesten Lebensmittel der Welt gerät zunehmend unter Druck. Krankheiten, sich verändernde Wetterbedingungen und andere Umweltbelastungen bedrohen weltweit den Kakaoanbau und führen zu Versorgungsängsten und wirtschaftlichen Herausforderungen für die Millionen von Bauern, die diese Kulturpflanze anbauen, ohne die es keine Schokolade gäbe.
Frisch geerntete Kakaoschoten weisen eine Vielzahl leuchtender Farben auf.
Mark Guiltinan / Penn State
Nun haben Wissenschaftler der Penn State University nach jahrzehntelanger Forschung eine neue, krankheitstolerante Kakaosorte entwickelt – und sie sagen, dass diese das Potenzial hat, die Schokoladenindustrie grundlegend zu verändern.
Die neue Kakaosorte baut auf jahrzehntelanger Forschung unter der Leitung von Mark Guiltinan, J. Franklin Styer-Professor für Gartenbau-Botanik und Professor für Pflanzenmolekularbiologie am Fachbereich Pflanzenwissenschaften des College of Agricultural Sciences der Penn State, sowie Siela Maximova, Forschungsprofessorin für Pflanzenbiotechnologie am selben Fachbereich, auf.
„Für Verbraucher ist Schokolade etwas, das sie jeden Tag in den Regalen der Geschäfte erwarten, doch hinter diesem Produkt stehen eine Kulturpflanze und eine Industrie, die vor erheblichen Herausforderungen stehen“, sagte Guiltinan. „Unser Ziel ist es, Instrumente zu entwickeln, die den Erzeugern helfen, weiterhin nachhaltig und rentabel Kakao anzubauen.“
Das Programm für Molekularbiologie des Kakaos an der Penn State, das Guiltinan und Maximova gemeinsam leiten, geht auf eine in den 1980er Jahren eingerichtete, von der Industrie unterstützte Stiftung zurück. Seitdem haben Forscher der Universität grundlegende Werkzeuge für die Kakao-Biotechnologie entwickelt, wichtige genetische Signalwege kartiert und eines der weltweit führenden Kakao-Forschungsprogramme aufgebaut.
Die Universität hat kürzlich eine Lizenzvereinbarung mit AgroNetica geschlossen, einem auf Kakao spezialisierten Biotechnologieunternehmen, um daran zu arbeiten, die Pflanze den Erzeugern weltweit zugänglich zu machen. Das Unternehmen wird die Feldversuche mit den Pflanzen vorantreiben, mit dem Ziel, die Pflanze schließlich direkt an die Erzeuger zu vermarkten und so dazu beizutragen, einige der größten Bedrohungen für die weltweite Schokoladenproduktion zu bewältigen.
Die Vereinbarung mit AgroNetica stelle ein neues Kapitel in den Bemühungen der Universität dar, Kakao zu verstehen und zu verbessern, so Maximova; ein Kapitel, das darauf ausgerichtet sei, Entdeckungen in Technologien umzusetzen, die den Erzeugern helfen, Lieferketten zu stärken und die Zukunft der Schokoladenproduktion zu sichern.
„Dank dieser langfristigen Investition in die Forschung und der Aufrechterhaltung eines nachhaltigen Programms haben wir nun die Möglichkeit, die hier im Labor entwickelten Technologien den Landwirten näherzubringen“, sagte Maximova. „Der Fokus lag stets darauf, Kakaobauern und der Branche zu helfen. Wir sind nun an einem Punkt angelangt, an dem wir einen Partner haben, dessen Fachwissen diese Entdeckungen in die praktische Anwendung überführt.“
Laut Guiltinan ist diese neue Vermarktungsmöglichkeit besonders wichtig, da die weltweite Kakaoproduktion zunehmenden Bedrohungen durch Krankheiten, Klimaschwankungen und sich verändernde Umweltbedingungen ausgesetzt ist, die sowohl die Lebensgrundlagen der Bauern als auch die Lieferketten gefährden.
Allein die „Black Pod“-Krankheit, eine besonders zerstörerische Krankheit, die durch einen schimmelartigen Erreger verursacht wird, führt Schätzungen zufolge weltweit zu Ertragsverlusten von rund 30 Prozent, sagte er, während klimabedingte Belastungen die Produktion in den wichtigsten Kakaoanbaugebieten weiterhin bedrohen.
Der Kakao stammt ursprünglich aus dem Amazonas-Regenwald und entwickelte sich als Unterholzbaum, der unter dem Blätterdach des Tropenwaldes wuchs. Heute wird er in tropischen Regionen Afrikas, Asiens und Lateinamerikas angebaut, oft unter Umweltbedingungen, die sich stark von denen unterscheiden, unter denen sich die Art ursprünglich entwickelt hat.
„Kakao hat sich in einer sehr stabilen Regenwaldumgebung entwickelt“, sagte Guiltinan. „Es ist in vielerlei Hinsicht eine empfindliche Pflanze. Veränderungen bei Niederschlag, Temperatur und Luftfeuchtigkeit können sich alle auf den Ertrag auswirken, und einige dieser Veränderungen können zudem den Krankheitsdruck erhöhen.“
Die traditionelle Kakao-Züchtung ist bekanntermaßen langsam. Maximova erklärte, dass die Entwicklung und Bewertung neuer Sorten Jahrzehnte dauern kann, da Kakaobäume etwa drei Jahre benötigen, um zu reifen und Samen zu produzieren. Dieses langsame Wachstum bedeute, dass der Klimawandel eine besonders gefährliche Bedrohung für ihr Überleben darstelle, fügte sie hinzu. Nicht nur verändern sich die Umweltbedingungen schneller, als sich Pflanzen anpassen können, sondern erhöhte Luftfeuchtigkeit und Wetterschwankungen können auch günstige Bedingungen für Krankheitserreger und Schädlinge schaffen.
„Das Klima verändert sich schneller, als sich diese Bäume auf natürliche Weise anpassen können“, sagte sie. „Eines unserer Ziele ist es, Werkzeuge zu entwickeln, die Züchtern helfen, schneller auf diese Herausforderungen zu reagieren.“
In einer im „Plant Biotechnology Journal“ veröffentlichten Studie kombinierten die Forscher fortschrittliche genetische Werkzeuge wie Genomsequenzierung und -bearbeitung mit traditioneller Pflanzenzüchtung, um eine Kakaopflanze mit deutlich verbesserter Resistenz gegen die Schwarzfäule zu züchten.
Mithilfe der Genom-Editierungstechnologie (CRISPR) modifizierten die Wissenschaftler ein als TcNPR3 bekanntes Kakaogen, das als natürliche Bremse für das Immunsystem der Pflanze wirkt. Die Mutation aktiviert die Abwehrreaktion der Pflanze teilweise und stärkt so ihre Abwehrkräfte gegen spätere Infektionen durch Krankheitserreger. Nach Einbringung der gewünschten Veränderung züchteten die Forscher die Pflanzen weiter, um sämtliches transgenes Material – also fremde DNA, die mit dem Genom-Editierungsmechanismus in Verbindung steht – zu entfernen, sodass nur die vorteilhafte genetische Veränderung übrig blieb.
Das Ergebnis war eine Kakaopflanze, die eine präzise genetische Veränderung zur Krankheitstoleranz aufweist, aber nicht mehr als gentechnisch veränderter Organismus (GVO) gilt – im Einklang mit den Rechtsrahmen der USA und der Europäischen Union, die bestimmte genbearbeitete Merkmale ähnlich behandeln wie solche, die durch konventionelle Züchtung entwickelt wurden.
„In einem Fall haben wir nur zwei Basen im gesamten Genom der Pflanze verändert“, sagte Guiltinan. „Von rund 450 Millionen Basen führte diese einzige Veränderung unter Laborbedingungen zu einer Verringerung der Krankheitsanfälligkeit um etwa 42 Prozent.“
Obwohl die genbearbeiteten Pflanzen in Labortests vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben, betonten die Forscher, dass weitere Arbeiten erforderlich sind, bevor Landwirte sie kommerziell anbauen können. Derzeit laufen Feldversuche in Zusammenarbeit mit dem US-Landwirtschaftsministerium in Hawaii und Puerto Rico, wo Forscher die Leistung unter realen Anbaubedingungen bewerten werden.
„Diese Pflanzen wurden speziell zur Verbesserung der Krankheitsresistenz entwickelt“, sagte Maximova. „Der nächste Schritt ist der Nachweis der Leistungsfähigkeit in Feldversuchen. Die Skalierung und Vermarktung werden die nächsten Herausforderungen sein, sollten sich die Feldversuche als vielversprechend erweisen. Hier können kommerzielle Partner eine wichtige Rolle dabei spielen, die Technologie voranzubringen.“
Sie wies darauf hin, dass die Kommerzialisierung verbesserter Kakaosorten erhebliche Investitionen erfordert, die über das hinausgehen, was Universitäten leisten können.
Hier kommt AgroNetica ins Spiel. Das Unternehmen hat kürzlich die kommerziellen Rechte an den Pflanzen erworben, die die Mutation für Krankheitsresistenz tragen. AgroNetica plant, neue Kakaosorten mit verbesserten Eigenschaften zu testen, in großem Maßstab zu produzieren und zu vermarkten, um eine nachhaltigere Produktion in Kakaoanbauländern zu ermöglichen. Das Unternehmen plant außerdem, weitere Merkmale aus seiner Entwicklungspipeline einzuführen, die darauf abzielen, die Hitze- und Trockenheitsresistenz zu verbessern, die Cadmiumakkumulation zu verringern, eine kompaktere Pflanzenarchitektur und eine stärkere Mechanisierung zu ermöglichen, die Zeit bis zur ersten Ernte zu verkürzen sowie koffeinfreie Kakaosorten zu entwickeln.
„Es kostet Millionen von Dollar und viele Jahre, eine neue Pflanzensorte den Landwirten zur Verfügung zu stellen“, sagte Maximova. „Deshalb sind Partnerschaften mit Unternehmen, die bereit sind, in Entwicklung, Erprobung und Einführung zu investieren, so wichtig.“
Während sich die lizenzierte Technologie auf Krankheitsresistenz konzentriert, untersuchen Maximova und Guiltinan auch Merkmale im Zusammenhang mit Klimaresilienz und Ernteertrag. Beschleunigte Züchtung und Genom-Editierung würden zu immer wichtigeren Werkzeugen werden, da der Umweltdruck auf die Kakaoproduktion weiter zunehme, erklärten sie.
„Die Krankheiten verändern sich. Das Klima verändert sich. Die Herausforderungen, denen die Erzeuger gegenüberstehen, entwickeln sich ständig weiter“, sagte Maximova. „Das ist nichts, was man einmal löst und dann ist es erledigt. Es ist eine fortlaufende Anstrengung, bessere Pflanzen zu entwickeln und den Erzeugern neue Optionen zu bieten.“
Für Guiltinan stellt die Lizenzvereinbarung mehr als nur einen kommerziellen Meilenstein dar. Sie ist ein Beweis dafür, dass langfristige universitäre Forschung zu greifbaren Vorteilen für die Landwirtschaft führen kann.
„Wir versuchen, echte Probleme für Landwirte zu lösen“, sagte er. „Wenn wir den Erzeugern helfen können, Verluste zu reduzieren, die Produktivität zu steigern und sich schneller an veränderte Bedingungen anzupassen, dann ist das der ultimative Maßstab für Erfolg.“
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