Chinas Durchbruch bei klonfähigem Hybridreis könnte die globale Ernährungssicherheit revolutionieren

Ein revolutionärer Durchbruch in der Landwirtschaft

Chinesischen Forschern ist gelungen, wovon viele Wissenschaftler seit Jahrzehnten träumen: Sie haben eine Form von Hybridreis entwickelt, die sich durch klonale Samen selbst vermehren kann und dabei ihre ertragreichen Eigenschaften von Generation zu Generation bewahrt. Dieser Durchbruch könnte einen Wendepunkt für die globale Landwirtschaft markieren und das größte Hindernis für die Produktion von Hybridreis beseitigen: Landwirte müssen nicht länger jede Saison teures neues Hybridsaatgut kaufen. Die Entwicklung kommt zu einem kritischen Zeitpunkt, an dem Hunderte Millionen Menschen weltweit von akuter Ernährungsunsicherheit betroffen sind und die Agrarsysteme Mühe haben, den Bedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken.

Das Forschungsteam unter Leitung von Wang Kejian am China National Rice Research Institute der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften hat Hybridreis entwickelt, der sich durch Apomixis nahezu perfekt klonal vermehren kann – einen Prozess, bei dem Samen ohne Befruchtung entstehen. Dieser Fortschritt könnte die Art und Weise verändern, wie Landwirte weltweit Reis anbauen, und die globale Reisproduktion bei breiter Einführung nach Schätzungen einiger Branchenexperten möglicherweise verdoppeln.

Heterosis und ihre Grenzen

Um die Bedeutung dieses Durchbruchs zu verstehen, muss man die Heterosis kennen, auch als Hybridvigor bezeichnet. Dieses Phänomen tritt auf, wenn zwei genetisch unterschiedliche Elternpflanzen gekreuzt werden und Nachkommen mit besseren Eigenschaften als beide Eltern entstehen. Hybridreis weist oft bemerkenswerte Merkmale auf: schnelleres Wachstum, größere Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten und Schädlinge sowie deutlich höhere Erträge – in Teilen Afrikas bis zu viermal so hohe wie bei traditionellen Sorten.

Dieser Vorteil hat jedoch einen erheblichen Nachteil. Die überlegenen Eigenschaften von Hybridpflanzen gehen in den folgenden Generationen aufgrund der genetischen Neukombination bei der sexuellen Fortpflanzung verloren. Bei der natürlichen Vermehrung von Hybridpflanzen werden ihre Gene neu gemischt, und die günstigen Kombinationen, die die leistungsstarke Elternpflanze hervorgebracht haben, gehen verloren. Das bedeutet, dass Landwirte jede Saison frisches Hybridsaatgut kaufen müssen, um die hohen Erträge zu halten. Diese wiederkehrenden Kosten haben die Verbreitung von Hybridreis in vielen Regionen begrenzt, insbesondere unter Kleinbauern in Entwicklungsländern.

Gurdev Khush, außerordentlicher emeritierter Professor am Department of Plant Sciences der University of California in Davis und ehemaliger Träger des Welternährungspreises, erläuterte die wirtschaftliche Herausforderung:

Reis als Hybridsorte zu züchten, ist vergleichsweise teuer, wenn sich der Ertrag dadurch nur um etwa 10 Prozent steigern lässt. Deshalb kommen die Vorteile von Hybridreis noch immer vielen Landwirten weltweit nicht zugute.

In China kann Hybridsaatgut bis zu 200 Yuan (28 US-Dollar) pro Kilogramm kosten. In anderen Ländern können die Preise noch höher liegen – bis zum Hundertfachen des Preises für gewöhnliches Reissaatgut. Diese Preisstruktur ist trotz der höheren Erträge ein erhebliches Hindernis für eine breite Einführung.

Die Wissenschaft hinter der Apomixis

Apomixis leitet sich von griechischen Wörtern mit der Bedeutung „ohne Vermischung“ ab und bezeichnet eine Form der ungeschlechtlichen Vermehrung über Samen. Dabei erzeugen Pflanzen Samen, die genetisch identische Klone der Elternpflanze sind. Die bei der normalen sexuellen Fortpflanzung auftretende genetische Neukombination wird dabei umgangen. Mehr als 400 wild wachsende Pflanzenarten vermehren sich natürlicherweise durch Apomixis, doch keine bedeutende Nahrungspflanze verfügt von Natur aus über diese Fähigkeit.

Das chinesische Forschungsteam versucht, Apomixis in Reis durch genetische Veränderungen herbeizuführen. Dabei spielen zwei biologische Mechanismen eine zentrale Rolle. Zunächst verändern die Forschenden das Fortpflanzungssystem der Pflanze so, dass Eizellen durch Mitose statt durch Meiose entstehen. Bei der normalen sexuellen Fortpflanzung bildet die Meiose Geschlechtszellen (Eizellen und Spermien) mit einem halben Chromosomensatz. Durch die Veränderungen bilden sich Eizellen mit einem vollständigen Chromosomensatz, die genetisch mit der Elternpflanze identisch sind.

Im zweiten Schritt lösen sie die Parthenogenese aus – die Entwicklung einer Eizelle zu einem Embryo ohne Befruchtung. Durch die Kombination dieser beiden Mechanismen entsteht synthetische Apomixis: Aus den Samen wachsen Pflanzen, die genetisch exakte Klone der Elternpflanze sind und alle Merkmale der Heterosis dauerhaft bewahren.

Jüngste Durchbrüche haben die Effizienz dieses Verfahrens auf bemerkenswerte Werte gesteigert. Einer Ende 2025 veröffentlichten Studie zufolge erreichte das chinesische Team bei allen daraus hervorgegangenen Hybridreissorten eine Klonierungsrate der Samen von über 99 Prozent. Die Erträge waren mit denen herkömmlicher F1-Hybride vergleichbar. Das ist eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren Versuchen, die noch vor wenigen Jahren eine Effizienz von nur 30 Prozent erreichten.

Historische Hürden bei der Entwicklung klonaler Samen

Die Suche nach apomiktischen Kulturpflanzen dauert seit mehr als drei Jahrzehnten an. Forschende weltweit sind dabei auf zahlreiche Hindernisse gestoßen. Der anfängliche Optimismus Ende der 1990er-Jahre, als genetische Werkzeuge zunehmend verfügbar wurden, wich der Ernüchterung, als die erhofften Fortschritte ausblieben. Erik Jongedijk, Pflanzengenetiker beim europäischen Saatgutunternehmen KWS, erinnerte an die Stimmung in jener Zeit:

Die Leute sagten: „Gut, wir werden diese Nuss knacken.“ Und lange Zeit wurde sie einfach nicht geknackt.

Ein Teil der Schwierigkeiten lag in der Komplexität, die Pflanzenfortpflanzung zu verändern. Die Wissenschaftler mussten mehrere Gene identifizieren und verändern, die an der Meiose und der Embryonalentwicklung beteiligt sind. Ein wichtiger Durchbruch gelang 2009, als Forschende unter Leitung von Raphaël Mercier am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung zeigten, dass sich bei der Modellpflanze Arabidopsis durch das Ausschalten dreier bestimmter Gene Geschlechtszellen durch Mitose statt Meiose bilden lassen. Sie nannten diese Dreierkombination von Mutationen MiMe, kurz für „Mitose statt Meiose“.

2016 wurde dieser Erfolg bei Reis wiederholt: Es entstanden Pflanzen mit diploiden Eizellen, die genetisch mit der Mutterpflanze identisch waren. Gleichzeitig arbeiteten andere Gruppen daran, die Parthenogenese auszulösen. 2002 identifizierten die Genetikerin Kim Boutilier und ihre Kollegen im Raps ein Gen namens BABY BOOM, das bei Aktivierung das Embryowachstum aus Trieben und Blättern anstoßen kann. Später wurden ähnliche Gene bei vielen Pflanzen entdeckt, darunter auch bei Reis.

Damit waren die Voraussetzungen geschaffen, diese Fortschritte zu kombinieren. Die Forschenden standen jedoch vor einer regulatorischen Herausforderung: Der Transfer von Genen zwischen verschiedenen Arten hätte vor einer Marktzulassung langwierige Prüfverfahren erfordert. Um dies zu vermeiden, suchten sie im Erbgut des Reises selbst nach Lösungen und identifizierten schließlich die reisähnliche Variante von BABY BOOM, die sie gezielt in Eizellen aktivierten.

Mehrere Wege zum Erfolg: unterschiedliche Ansätze für Apomixis

Forschungsgruppen weltweit verfolgen verschiedene Ansätze, um synthetische Apomixis bei Reis und anderen Nutzpflanzen zu erreichen. Die bislang erfolgreichste Methode kombiniert MiMe-Mutationen mit der Aktivierung des BABY-BOOM-Gens. Bei einigen kommerziellen Hybridreissorten wurde damit eine Klonierungseffizienz von über 95 Prozent erzielt.

Auch andere Ansätze zeigen jedoch vielversprechende Ergebnisse. Ein Team unter Leitung von Professor Li Jiayang vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte ein Verfahren mit dem körpereigenen Reisgen OsWUS. In Kombination mit der MiMe-Strategie erreichte dieser Ansatz normale Samenansatzraten und bei einigen Linien eine Klonierungseffizienz von etwa 21,7 Prozent. Das OsWUS-System ist zwar weniger effizient als der BABY-BOOM-Ansatz, erwies sich aber als besser mit der Pflanzenentwicklung vereinbar und vermied Kleinwuchs und Sterilität, die bei früheren Versuchen aufgetreten waren.

Bei den Zweikeimblättrigen, zu denen viele Hülsenfrüchte und Gemüsepflanzen zählen, haben Forschende andere genetische Schalter identifiziert. Ein Team unter Leitung von Peter van Dijk vom Pflanzenzuchtunternehmen KeyGene entdeckte das PAR-Gen im Löwenzahn, einer natürlich apomiktischen zweikeimblättrigen Pflanze. Wird dieses Gen in Salat aktiviert, löst es die Bildung eines rudimentären Embryos ohne Befruchtung aus. Damit eröffnen sich Möglichkeiten, die Apomixis-Technologie über Getreide hinaus einzusetzen.

Mindestens zehn Forschungsgruppen in China arbeiten derzeit an apomiktischen Sorten verschiedener Nutzpflanzen, darunter Kohl, Tomaten, Luzerne sowie weitere Gemüse- und Futterpflanzen. Diese Vielfalt an Ansätzen erhöht die Wahrscheinlichkeit, robuste und kommerziell nutzbare apomiktische Sorten für zahlreiche Pflanzenarten zu entwickeln.

Wirtschaftliche Folgen für Landwirte und die Ernährungssicherheit

Eine breite Einführung von apomiktischem Hybridreis könnte erhebliche wirtschaftliche Folgen haben, insbesondere für Kleinbauern in Entwicklungsländern. Derzeit müssen diese Landwirte entscheiden, ob sie jede Saison teures Hybridsaatgut kaufen oder Saatgut traditioneller Sorten mit geringeren Erträgen zurückbehalten. Mit apomiktischem Hybridreis könnten sie das Saatgut ihrer ertragreichen Hybridsorten Jahr für Jahr aufheben und so die Vorteile beider Möglichkeiten verbinden.

Venkatesan Sundaresan, Entwicklungsbiologe an der University of California in Davis, dessen Team die Entwicklung dieser Technologie mit vorangetrieben hat, betonte ihr Potenzial:

Apomixis bei Nutzpflanzen wird weltweit seit mehr als 30 Jahren erforscht, weil sie die Produktion von Hybridsaatgut für alle zugänglich machen kann.

Auch Saatgutunternehmen könnten von der Technologie profitieren: Sie könnte die Produktion von Hybridsaatgut vereinfachen, Kosten senken und die Einführung neuer Sorten beschleunigen. José Rée, Forschungsleiter bei RiceTec, bezeichnete die derzeitigen Verfahren zur Hybridreisproduktion als „ein sehr unvollkommenes System“, das teure und komplizierte Methoden erfordert, darunter den Einsatz von Hubschraubern zur Bestäubung.

Weltweit könnten apomiktische Nutzpflanzen dazu beitragen, den Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken, ohne die landwirtschaftlichen Flächen auf ein nicht nachhaltiges Maß auszuweiten oder den Wasser- und Düngemitteleinsatz zu erhöhen. Das wäre ein entscheidender Schritt hin zu einer nachhaltigen Landwirtschaft – zu einer Zeit, in der Klimawandel und Umweltzerstörung die Ernährungssysteme weltweit bedrohen.

Globale Zusammenarbeit und künftige Forschung

Chinesische Forschende haben zwar bedeutende Fortschritte bei der Apomixis-Technologie erzielt, doch handelt es sich um ein globales wissenschaftliches Vorhaben. Internationale Kooperationen waren entscheidend für den Fortschritt. Forschungsteams aus Frankreich, Deutschland, Ghana und den Vereinigten Staaten haben alle zu wichtigen Durchbrüchen beigetragen. Die apomiktische Reissorte mit einer Effizienz von 95 Prozent entstand durch die Zusammenarbeit von Forschenden der UC Davis mit Kollegen aus Frankreich, Deutschland und Ghana.

Auch die Forschung an anderen Nutzpflanzen schreitet rasch voran. Anna Koltunow von der University of Queensland entwickelt apomiktische Sorten von Sorghum und Augenbohne, die für Landwirte in Subsahara-Afrika wichtige Nutzpflanzen sind. Ihr Team startete 2022 in Australien Freilandversuche mit gentechnisch verändertem Sorghum, das zur Parthenogenese fähig ist. Künftig sollen die Sorten zusätzlich MiMe-Mutationen erhalten.

Trotz dieser Fortschritte ist noch viel zu tun, bevor apomiktische Nutzpflanzen kommerziell erhältlich sind. Die Forschenden müssen mehrere Herausforderungen bewältigen: eine Klonierungseffizienz von 100 Prozent erreichen, umfangreiche Freilandversuche unter unterschiedlichen Umweltbedingungen durchführen und sicherstellen, dass die apomiktischen Sorten auch bei Trockenheit, Krankheiten und anderen Belastungen leistungsfähig bleiben.

Adam Famoso, Reiszüchter an der Louisiana State University, wies auf die ungelösten Fragen hin:

Wir verstehen noch längst nicht alles, was nötig ist, damit das Verfahren in der Landwirtschaft effizient eingesetzt werden kann.

Regulatorische Hürden und öffentliche Akzeptanz

Wie jede gentechnisch veränderte Nutzpflanze muss auch apomiktischer Reis regulatorische Hürden überwinden, bevor er auf die Felder der Landwirte gelangt. Einige Länder, insbesondere in Asien, stehen gentechnisch veränderten Lebensmitteln skeptisch gegenüber und könnten trotz der möglichen Vorteile zögern, apomiktischen Reis zu importieren oder anzubauen.

Jauhar Ali, Leiter des Hybridreisprogramms am International Rice Research Institute, äußerte sich vorsichtig optimistisch zur regulatorischen Akzeptanz:

Genomeditierung findet langsam Akzeptanz, und viele Regierungen erkennen, wie wichtig dieses Instrument ist, um der Landwirtschaft Vorteile zu bringen.

Wann die Technologie kommerziell verfügbar sein wird, ist noch unklar. Erik Jongedijk schätzt, dass möglicherweise weitere fünf bis zehn Jahre Forschung nötig sind, bevor synthetische Apomixis bei irgendeiner Nutzpflanze kommerziell eingesetzt werden kann. Dazu gehören nicht nur die wissenschaftliche Entwicklung, sondern auch die behördliche Zulassung, Freilandversuche und der Ausbau der Saatgutproduktion.

Einige Pflanzenzüchter warnen, dass apomiktische Nutzpflanzen selbst nach ihrer Perfektionierung am Markt scheitern könnten – etwa wegen regulatorischer Hürden oder mangelnder Akzeptanz bei Verbrauchern. Die möglichen Vorteile für die Ernährungssicherheit, die wirtschaftliche Lage der Landwirte und eine nachhaltige Landwirtschaft sind jedoch ein starker Anreiz, diese Hindernisse zu überwinden.

Der Weg zur Kommerzialisierung

Vom Durchbruch im Labor bis zum kommerziellen Produkt sind mehrere entscheidende Schritte nötig. Zunächst müssen die Forschenden zeigen, dass apomiktischer Reis unter unterschiedlichen Umwelt- und Anbaubedingungen konstant gute Leistungen erbringt. Das China National Rice Research Institute hat für seine Arbeit bereits Patentanmeldungen eingereicht – ein Zeichen dafür, dass es vom kommerziellen Potenzial der Technologie überzeugt ist.

Außerdem müssen noch ungelöste biologische Herausforderungen angegangen werden. Wie die meisten Pflanzen ist auch der derzeit entwickelte apomiktische Reis weiterhin auf Pollen angewiesen, der sein Endosperm befruchtet – das Samengewebe, das den sich entwickelnden Embryo mit Nährstoffen versorgt. Dieser Schritt bleibt anfällig für den Klimawandel, da Pollen bei hohen Temperaturen an Lebensfähigkeit verlieren kann.

Wissenschaftler des Whitehead Institute und des MIT haben Fördermittel erhalten, um Pflanzen zu entwickeln, die Endosperm ohne Befruchtung ausbilden können – eine Fähigkeit, die manche natürlich apomiktischen Pflanzen besitzen. Gelingt dies, wären künftige apomiktische Nutzpflanzensorten überhaupt nicht mehr auf Pollen angewiesen. So könnten sie möglicherweise auch während Hitzewellen üppige Samenmengen produzieren.

Die Agrarbranche verfolgt die weitere Forschung mit Spannung. Peggy Ozias-Akins, Genetikerin an der University of Georgia, beschrieb das mögliche Ausmaß der Folgen:

Das wäre wirklich eine grundlegende Veränderung.

Vorerst werden die Hubschrauber weiterhin über Reisfelder in Texas und Arkansas fliegen, um Hybridpflanzen mit kostspieligen und arbeitsintensiven Methoden zu bestäuben. Doch möglicherweise kommt der Tag näher, an dem Landwirte einfach das Saatgut ihrer leistungsstärksten Pflanzen Jahr für Jahr aufheben können – und damit die Landwirtschaft, wie wir sie kennen, revolutionieren.

Das Wichtigste auf einen Blick

• Chinesische Forschende haben klonfähigen Hybridreis entwickelt, der sich durch Apomixis vermehrt und eine Klonierungseffizienz der Samen von über 99 Prozent erreicht.
• Der Durchbruch könnte es überflüssig machen, dass Landwirte jede Saison teures Hybridsaatgut kaufen.
• Die weltweite Reisproduktion könnte sich möglicherweise verdoppeln, wenn alle Landwirte diese Technologie einsetzen würden.
• Hybridsaatgut kann bis zu 100-mal teurer sein als gewöhnliches Reissaatgut. Das erschwert die Einführung bei Kleinbauern.
• Die Forschung kombiniert zwei zentrale Mechanismen: Mitose statt Meiose zur Bildung genetisch identischer Eizellen und Parthenogenese zur Entwicklung von Embryonen ohne Befruchtung.
• Mehrere Forschungsansätze werden untersucht, darunter Verfahren mit BABY-BOOM-, OsWUS- und PAR-Genen.
• Internationale Kooperationen waren entscheidend für den Fortschritt. Forschungsteams aus China, den USA, Europa und Afrika haben dazu beigetragen.
• Wegen ungelöster technischer Herausforderungen und regulatorischer Anforderungen könnte die kommerzielle Einführung noch fünf bis zehn Jahre dauern.
• Die Technologie könnte auch auf andere Nutzpflanzen wie Sorghum, Tomaten, Luzerne und Kohl ausgeweitet werden.
• Apomiktische Nutzpflanzen könnten dazu beitragen, eine wachsende Bevölkerung zu ernähren, ohne die landwirtschaftlichen Flächen auszuweiten oder den Düngemitteleinsatz zu erhöhen.