Eine Arche im ewigen Eis

„Für ein gutes Saatgut, das bestimmte Qualitätseigenschaften hat, das resistent gegen Schädlinge und Krankheiten ist, das möglicherweise Trocken- und Hitze-Stress aushalten kann, benötigen Sie teilweise 50 bis 100 verschiedene genetische Eigenschaften. Die Informationen dazu müssen Sie von 50 oder 100 unterschiedlichen Gen- oder Saatgutbanken dieser Welt anfordern, damit Sie so etwas neu züchten können“, erklärt Schmitz.

Da die Erzeugung neuer Sorten mittels konventioneller Züchtungsmethoden – der gezielten Selektion besonders geeigneter Pflanzen für die Zucht – teilweise viele Jahre in Anspruch nimmt, kommen zunehmend Erkenntnisse der Genforschung zum Einsatz. Ein Großteil der Arbeit besteht darin, den Zusammenhang bestimmter genetischer Variationen mit bestimmten Merkmalen der Pflanze herauszufinden und so eine Art genetische Kartierung von Eigenschaften anhand sogenannter molekularer Marker vorzunehmen. Ist der Zusammenhang zwischen den molekularen Markern und den unterschiedlichen Ausprägungen eines Zuchtmerkmals bekannt, können die Merkmale einer Pflanze bereits im Keimlingsstadium vorhergesagt werden. Dadurch entfällt der aufwendige Prozess der Aufzucht von Pflanzen mit unerwünschten Eigenschaften. Auf Grundlage der genetischen Kartierung könnten künftig auch in größerem Maße spezielle gentechnische Verfahren wie die Gen-Schere CRISPR/Cas zum Einsatz kommen. Dieses Genome Editing könnte dazu beitragen, dass neue Sorten durch Veränderungen ihres Genoms schneller und zielgerichteter in Hinblick auf die Anpassung an lokale Gegebenheiten gezüchtet werden können.

Archivierte Samenkörner

Da nicht bekannt ist, welche genauen Auswirkungen der Klimawandel in verschiedenen Gegenden der Welt haben wird, und deshalb auch noch unklar ist, über welche Eigenschaften neue Nutzpflanzen im Detail verfügen müssen, ist es sinnvoll, über eine Sammlung möglichst vieler unterschiedlicher Pflanzen und damit möglichst vieler genetischer Varianten zu verfügen. Dieser Gedanke führte zum internationalen Projekt „Svalbard Global Seed Vault“, dem 2008 eröffneten globalen Saatgut-Tresor auf dem norwegischen Inselarchipel Svalbard, hierzulande besser bekannt als Spitzbergen.

„Der Saatgut-Speicher auf Svalbard ist so etwas wie eine nichtöffentliche Zentralbibliothek. Nur dass hier keine Bücher oder historische Dokumente aufbewahrt werden, sondern Samenkörner der wichtigsten Nutzpflanzensorten dieser Welt“, so Schmitz. „Man könnte sagen: Wir schaffen mit dieser Saatgutbank so etwas wie die Arche Noah des 21. Jahrhunderts.“

Diese moderne Arche befindet sich im Nordatlantik auf halbem Weg zwischen norwegischem Festland und Nordpol – fernab von allen Krisenregionen der Welt. Weder mit Kriegen und Bombenangriffen noch mit Erdbeben ist in der nur spärlich besiedelten, geologisch stabilen Region zu rechnen. Auf Spitzbergen mit seinen ganzjährigen Temperaturen um den Gefrierpunkt liegt am Rande einer unscheinbaren Landstraße der Eingang zu diesem größten Saatgut-Speicher der Welt: ein dreieckiger Betonkeil, tief in den schneebedeckten Berg getrieben. Das Ganze wirkt wie die Filmkulisse eines dystopischen Endzeit-Movies. Wenn nicht gerade über den kleinen Flugplatz in der Nähe Samenproben angeliefert werden, herrscht hier gespenstische Ruhe. Kein Mensch weit und breit, selbst das Security-Personal, das die Bilder der Überwachungskameras betrachtet, sitzt kilometerweit entfernt in Longyearbyen, dem Hauptort der Insel.

Hinter den massiven Stahltüren des Eingangs liegt ein rund 120 Meter langer Tunnel mit dicken Betonwänden, der tief in den Berg hineinführt und sich schließlich in ein größeres bunkerartiges Gewölbe öffnet. Von hier führen drei fest verschlossene Türen zu den Kühlkammern, den eigentlichen Tresoren. In den Kammern reihen sich hohe Regale aneinander, die an die Lagerbereiche eines Selbstbedienungs-Möbelhauses erinnern. In diesen Regalen ruht der Schatz des Saatgut-Tresors: fest verschlossene, versiegelte Kisten, in denen sich die Samenproben befinden. In vakuumierten Aluminiumbeuteln mit durchschnittlich je 500 Körnern lagern derzeit etwas mehr als eine Million Samen im Saatgut-Tresor. Seine Lagerkapazität von insgesamt 4,5 Millionen Samenproben – 1,5 Millionen pro Kühlkammer – ist damit erst zu knapp einem Drittel ausgeschöpft. Mit etwa 217.000 Samenkörnern diverser Sorten ist Weizen derzeit die am häufigsten eingelagerte Nutzpflanze im Saatgut-Tresor, gefolgt von Reis und Gerste.

Lagerung bei minus 18 Grad

Um die Samen dauerhaft lagern und ihre Keimfähigkeit sicherstellen zu können, ist die Luft in den Kühlkammern auf minus 18 Grad heruntergekühlt. „Das ist eine Temperatur, die wir vom Drei-Sterne-Gefrierfach des Kühlschranks kennen. Wie wir wissen, bleibt Tiefkühlkost bei dieser Temperatur längere Zeit haltbar. Und diese biologische Eigenschaft, bei niedriger Temperatur lange zu überleben, wird hier genutzt“, erläutert Schmitz. Doch auch falls die Kühlung einmal ausfallen sollte, ist der gelagerte Schatz aufgrund der für den Saatgut-Tresor gewählten geografischen Lage nicht in unmittelbarer Gefahr, denn das arktische Klima sorgt im Berg dauerhaft für Temperaturen um minus vier Grad. Das meiste Saatgut könne selbst unter diesen Bedingungen noch Jahre unbeschadet überleben, so Schmitz.

Um zu klären, wie genau sich eine lange Lagerung selbst bei minus 18 Grad auf die Keimfähigkeit unterschiedlicher Saaten auswirkt, wurde vom Svalbard Global Seed Vault 2020 ein Langzeitexperiment gestartet, das 100 Jahre andauern soll. Zentral beteiligt ist das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben, das die bundeszentrale Genbank landwirtschaftlicher und gärtnerischer Kulturpflanzen beherbergt. Mit über 150.000 Saatgutmustern von fast 3000 verschiedenen Arten ist es eine der größten und artenreichsten Genbanksammlungen der Welt – und unter den Top Ten der Institute, die am Svalbard Global Seed Vault die meisten Saaten einlagern.

„Wie lang die Keimfähigkeit von Samen erhalten bleibt, hängt grundsätzlich stark von Feuchtigkeit und Temperatur ab: je kälter und trockener, desto länger“, sagt Agrarwissenschaftler Andreas Börner, Leiter der Arbeitsgruppe Ressourcengenetik und Reproduktion am IPK. „Bei unseren heimischen Pflanzen bleibt die Keimfähigkeit bei Raumtemperatur und halbwegs trockenen Bedingungen im Schnitt fünf Jahre erhalten. Allerdings gibt es da große Unterschiede bei den Pflanzen und auch bei den verschiedenen Sorten der Pflanzen. Bei Zwiebeln, Salat oder ölhaltigen Samen geht die Keimfähigkeit insgesamt viel schneller verloren als bei Leguminosen wie der Erbse. Wenn Sie die bei Raumtemperatur trocken lagern, kann sie nach 20 Jahren immer noch keimen.“

Um die Keimfähigkeit des gelagerten Saatguts zu gewährleisten, besteht ein Großteil der Arbeit von Saatgutbanken deshalb in der regelmäßigen Erneuerung des Saatguts, also der Anpflanzung der gelagerten Samen und der Neugewinnung der entsprechenden Saaten. Am IPK befinden sich laut Andreas Börner rund 6000 bis 8000 Saatgutmuster pro Jahr im Erneuerungsanbau. Die Herausforderung liegt darin, den richtigen Zeitpunkt für die erneute Vermehrung nicht nur der unterschiedlichen Arten, sondern auch all ihrer verschiedenen Sorten abzupassen. Deren Keimfähigkeitseigenschaften können sich deutlich unterscheiden. Ist man zu spät dran, keimt das Saatgut nicht mehr, geht man viel zu früh in die Vermehrung, verursacht dies unnötigen Arbeitsaufwand. Gesicherte Erkenntnisse darüber, wie stark eine bestimmte Saat in einem bestimmten Zeitraum unter Lagerungsbedingungen von minus 18 Grad an Keimfähigkeit einbüßt, sind deshalb nicht nur für den Saatgutspeicher in Spitzbergen von Interesse, sondern ebenso für alle größeren Saatgutbanken, die Samen lagern.

Für den Langzeitversuch beim Svalbard Global Seed Vault stellen sechs Genbanken weltweit Saatgutproben von 13 wichtigen Nutzpflanzen zur Verfügung. Vom IPK kommen Weizen, Gerste, Erbse, Salat und Kohl. Die Saatgutproben für das Experiment werden im Saatgut-Tresor bei minus 18 Grad für 100 Jahre gelagert. In Abständen von zehn Jahren werden Proben entnommen und die Samen angezüchtet, sodass die Entwicklung der Keimfähigkeit über die Dauer eines Jahrhunderts genau beobachtet werden kann.

„Es hat schon mehrere Langzeitlagerungsversuche gegeben, aber bei diesen Versuchen hat man meistens nur wenige Arten und keine genetischen Variationen berücksichtigt“, erklärt Manuela Nagel, Leiterin der Arbeitsgruppe Kryo- und Stressbiologie am IPK. „Das Besondere an dem Langzeitexperiment ist, dass wir versucht haben, diese Parameter einzubringen.“ Eingelagert werden deshalb nicht nur Samen der 13 wichtigsten Nutzpflanzen, sondern jeweils fünf Sorten pro Art und drei aufeinanderfolgende Jahrgänge pro Sorte, da auch die Umweltbedingungen beim Wachsen einer Pflanze Einfluss auf die Keimfähigkeit der Samen haben.

Parallel dazu sollen entsprechende Samenproben aller beteiligten Institute bei minus 196 Grad Celsius in Kryotanks mit flüssigem Stickstoff am IPK gelagert werden. Da in diesem Zustand die molekularen Prozesse außer Kraft gesetzt sind, geht man davon aus, so Manuela Nagel, dass auf diese Weise die Qualität des Ausgangssamens weitestgehend konserviert wird und er nach 100 Jahren mit der bei minus 18 Grad gelagerten Samenprobe verglichen werden kann. Grundsätzlich ist die Aufbewahrung aller Samen in Kryotanks allerdings keine Option, zumindest nicht für weniger reiche Länder. Denn das kostet viel Platz und Energie und ist deshalb teuer und aufwendig.

Berechtigte Kritik?

Die Ergebnisse des Langzeitexperiments werden auch darüber entscheiden, wie oft die im Saatgut-Tresor eingelagerten Samenproben erneuert werden müssen. Vordringliches Ziel ist es aber, so viele verschiedene Saaten wie möglich zu sichern. Die eingelagerten Samen stammen aus nationalen und regionalen Saatgutbanken rund um die Erde. Mehr als 1700 solcher Saatgutbanken gibt es weltweit. Mittels Aussaat und Anzucht werden die Saatgutbestände dort dupliziert und die Duplikate nach Spitzbergen geschickt. Sie nutzen den Saatgut-Tresor also als eine Art Backup-System. Besitzer des Saatguts bleiben dabei die einlagernden Institutionen.

Allerdings ist das Duplizieren des Saatguts ein zeit- und kostenaufwendiger Prozess. Während das Duplizieren in Saatgutbibliotheken reicher Länder keine große Herausforderung darstellt, kann es für Saatgutbanken von Entwicklungs- und Schwellenländern aus finanziellen Gründen zum Problem werden. Doch gerade dort sind die wertvollsten biologischen Schätze zu finden. „Teile der wichtigsten genetischen Hotspots dieser Welt befinden sich in tropischen Ländern, im Hochland von Äthiopien, in Kenia, in Nigeria, im Amazonasgebiet, im Hochland von Mexiko, in Südostasien. Darum ist es extrem wichtig, dass wir auch dieses genetische Material sichern und auf Spitzbergen einlagern“, so Schmitz.

Das versteht der Global Crop Diversity Trust als seine Hauptaufgabe. Während die Kosten für den Bau und den Betrieb des globalen Saatgut-Tresors vom Staat Norwegen getragen werden, koordiniert und finanziert der Global Crop Diversity Trust die Sammlung des Saatguts vordringlich in Ländern und Regionen, in denen das Erstellen von Saatgutduplikaten sonst nicht stattfinden würde.

Hier knüpft auch die von manchen erhobene Kritik an dem Projekt an: Das Geld, das in die Duplikation und Sammlung des Saatguts fließt, solle besser in den Erhalt der Sorten vor Ort und mithin in die Unterstützung der traditionellen Landwirtschaft gesteckt werden, sodass sich dort auf natürlichem Wege klimatisch angepasste Pflanzen entwickeln könnten. Sowohl am Crop Trust als auch am IPK hält man den Erhalt der Diversität vor Ort zwar für wünschenswert, als alleinige Maßnahme jedoch für ungeeignet, um sich den Herausforderungen der Zukunft angemessen stellen zu können.

„Für 2050 wird eine Bevölkerung von zehn Milliarden Menschen erwartet. Das heißt, der Anteil der Nutzflächen wird wahrscheinlich immer kleiner. Deshalb brauchen wir Pflanzen, die stresstolerant sind und einen hohen Ertrag und eine hohe Eiweißqualität haben, um die vielen Menschen versorgen zu können“, so Saatgutbiologin Nagel vom IPK. „Die genetische Vielfalt auf dem Feld zu erhalten, halte ich für recht unrealistisch, auch weil das sehr viel mehr kosten würde, als das Material in Saatgutbanken zu sichern.“ Und ihr Kollege Börner gibt zu bedenken: „Hinzu kommt, dass bei einem reinen Erhalt der Diversität im Feld die Saaten nicht immer verfügbar wären, sondern nur wenn sie gerade erntereif sind.“ Auch vor Bränden und anderen Naturkatastrophen wäre das wertvolle Saatgut nicht geschützt.

Eine weitere Kritik an dem Projekt Svalbard Global Seed Vault bemängelt, dass die von den Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisationen der Vereinten Nationen initiierte Crop-Trust-Stiftung auch Gelder von Wirtschaftsunternehmen erhalten habe, die in die Verringerung der Biodiversität auf der Erde verstrickt sind oder die mit der Patentierung genetisch veränderter Pflanzen Geld verdienen.

Ein Vorwurf, dem man beim Crop Trust mit Pragmatismus begegnet. Da die Menschheit darauf angewiesen sei, die Vielfalt zu erhalten, weil diese sonst unwiederbringlich verloren ginge, müsse man mit allen Akteuren zusammenarbeiten, die ein Interesse an der Erhaltung von Nutzpflanzenvielfalt haben. Tatsächlich sind auch Unternehmen für neue Züchtungen auf einen möglichst großen Baukasten von Eigenschaften angewiesen. Ob und wie sie ihn nutzen dürfen, entscheidet jedoch nicht der Crop Trust, sondern das regeln die in den Saatgut-Tresor einlagernden Institutionen sowie nationale Gesetze.

Sicherungskopie für Notfälle

Inwieweit der Erhalt der Biodiversität durch den Svalbard Global Seed Vault der Menschheit bei der Bewältigung der Folgen des Klimawandels helfen kann, wird die Zukunft zeigen. Erwiesen ist der Nutzen der Backup-Funktion des globalen Saatgut-Tresors bereits in der Gegenwart. Dies zeigte sich während des Bürgerkriegs in Syrien. „In Aleppo gab es seit Jahrzehnten eines der großen wichtigen internationalen Agrarforschungsinstitute, Icarda, das auf die Landwirtschaft in den trockenen Gebieten dieser Erde spezialisiert war. Und wie bei allen diesen großen internationalen Agrarforschungsinstituten gehörte auch hier eine entsprechende Saatgutbank dazu“, erklärt Schmitz. „Der Leiter dieses Instituts hatte bei Beginn der kriegerischen Auseinandersetzungen sehr schnell die Notwendigkeit erkannt, das Saatgut in Sicherheit zu bringen. Er säte es aus und schickte Duplikate nach Svalbard. Und es geschah das, was zu befürchten war: Durch den Krieg wurden wichtige Samenbestände in Aleppo zerstört oder waren nicht mehr zugänglich.“

Dank der im Saatgut-Tresor eingelagerten Sicherungskopien konnte das Icarda 2015 aus Spitzbergen seine Samen anfordern und zur weiteren Forschung den Zweigstellen des Instituts im Libanon und in Marokko zur Verfügung stellen. Der Verlust einer Saatgutbank durch Krieg oder Naturkatastrophen komme immer wieder vor, betont Schmitz. „Und dadurch wird wichtiges genetisches Material unwiederbringlich zerstört. Deshalb braucht man Sicherungskopien.“

Ein Zeichen der Hoffnung

Doch inzwischen macht der Klimawandel dem Saatgut-Tresor selbst zu schaffen. Durch die Erdwärmung taut auch der Permafrostboden auf Spitzbergen auf. Das führte 2016 dazu, dass es im Saatgut-Tresor aufgrund eines Konstruktionsfehlers zu einem Wassereinbruch kam, allerdings zum Glück nur im Eingangsbereich des Zugangstunnels. Durch das mittlerweile behobene bauliche Problem sei das Projekt selbst zu keinem Zeitpunkt gefährdet gewesen, erklärt Schmitz. Selbst bei weiter tauendem Permafrost bestünde keine Gefahr, da die eigentlichen Schatzkammern des Tresors tief im Berg lägen, wo die Temperatur erst nach Jahrhunderten über minus vier Grad steigen könne.

Die Saatgut-Arche auf Spitzbergen ist für Schmitz ein Zeichen der Hoffnung: „Das Projekt ist schon oft als Beleg dafür gelobt worden, dass die Menschen bei entsprechendem politischen Willen sehr wohl in der Lage seien, international wirkungsvoll zusammenzuarbeiten und damit auch die Zukunft konstruktiv in die Hand zu nehmen.“