1. Allgemeines über die Sojabohne:

Die Sojabohne (Glycine max (L.) Merrill) ist eine aus China stammende und dort schon seit Jahrtausenden bekannte Kulturpflanze. Im asiatischen Raum wird sie vor allem für die menschliche Ernährung genutzt. Traditionelle asiatische Sojagerichte sind z.B. Tofu, Sojamilch und Miso.
In Europa und den USA wird Soja erst seit rund 100 Jahren in größerem Umfang angebaut. (Hymowitz, 1999). Die weltweite Anbaufläche ist derzeit noch immer steigend. So wurde etwa von 1991 bis 1999 ein Zuwachs von 55 Mio. ha auf 72 Mio. ha registriert. Die USA sind mit 29 Mio. ha der größte Sojaproduzent gefolgt von Brasilien mit 13 Mio. ha und China mit 8 Mio. ha (FAOSTAT, 2000). Hauptsächlich wird die Sojabohne wegen ihres Öles für Speisezwecke und industrielle Anwendungen genutzt. Etwa 30 % des Weltbedarfes an Fetten und Ölen wird durch die Sojabohne abgedeckt. Die Proteinfraktion stellt eigentlich ein "Nebenprodukt" dar und wird zu 95 % in der Futtermittelindustrie und nur zu 5 % für die menschliche Ernährung genutzt.

Inhaltsstoffe der Sojabohne: 40 % Protein, 20 % Öl, 35 % Kohlenhydrate, 5 % Mineralstoffe Diese Werte stellen natürlich Durchschnittsgehalte dar und können je nach gegebenen Umweltbedingungen variieren. Der Proteingehalt liegt demnach in einem Bereich von 30 bis 50 %, der Ölgehalt schwankt von 12 bis 30 % (Liu, 1997).

Das Fettsäuremuster ist in Tabelle 1 dargestellt. Das Sojaöl enthält einen hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren (FS) und nur einen sehr geringen Prozentsatz an kurzkettigen FS. Die Linolsäure ist mit durchschnittlich 51 % die vorherrschende FS.
 
 

Tab. 1: Fettsäureanteile in Sojaöl; Quelle: Schuster, 1985 

Fettsäure		Angaben in %
		Variationsbreite	übliche Sorten
gesättigte		11 – 20	15
kurzkettige	< C 16:0	0,0 – 0,5	0,1
Palmitinsäure	C 16:0	7 – 11	11
Stearinsäure	C 18:0	2 – 6	4
langkettige	> C 18:0	0,3 – 3	0,1
ungesättigte		83 – 90	85
kurzkettige	< C 18:1	0,0 – 1	0,0
Ölsäure	C 18:1	15 – 33	25
Linolsäure	C 18:2	43 – 56	51
Linolensäure	C 18:3	5 – 11	9

2. Genetische Modifikationen der Sojabohne:
Wichtige Gründe für den Einsatz der Gentechnologie in der Züchtung im Allgemeinen und auch speziell für die Sojabohne sind (Liu, 1997):

+ direkte Genmanipulation: im Gegensatz zu Kreuzungs- und Mutationszüchtung wird nur das gewünschte Gen
            bearbeitet, dazu muß der entsprechende Genloci und das expremierte Protein bekannt sein

+ Zeitgewinn: der Züchtungszeitraum kann um ca. 50 % verkürzt werden

+ erreichen von Zuchtzielen, welche mit herkömmlichen Methoden nicht möglich sind: z.B. bestimmte Inhaltsstoffe in
            hoher Konzentration, Produktion artfremder Stoffe, Resistenzen
            besonders wenn die natürliche Variation gering ist (alle Organismen können als "Genspender" dienen)

Die ersten Transformationen an Sojabohnen wurden Anfang der 80er Jahre durchgeführt. Wissenschaftler haben versucht die chemische Zusammensetzung zu verändern und Werte für bestimmte Inhaltsstoffe zu erreichen, welche durch konventionelle Züchtungsmethoden nicht möglich sind.
 
 

2.1. Modifikation des Fettsäuremusters:
Einer der ersten Schritte war die Veränderung des Fettsäuremusters. Folgende Gründe werden für derartige Modifikationen angegeben (Liu, 1997):

+ neue Erkenntnisse über Fett in der Ernährung: w-3-Fettsäuren, trans-FS, Ölsäure und andere mehrfach ungesättigte FS
             gelten als sehr gesund, Kreta-Diät

+ Verbesserung der oxidativen Stabilität: lange Haltbarkeit und wenig Abbauprozesse in dieser Zeit sind erwünscht,
             Reduktion der ungesättigten FS dazu erforderlich

+ Funktionelle Öle: Öl mit bestimmten physikalischen Eigenschaften (Schmelzpunkt), Konfiguration, Kettenlänge

+ Produktion spezieller FS für industrielle Anwendungen: Erzeugung von in der Natur nur selten vorkommenden FS
              ® Reduktion des technischen Aufwandes und somit auch der Kosten

Um die Produktion bestimmter Fettsäuren in der Pflanze zu erhöhen oder zu verhindern ist es von großer Bedeutung, die Wege der Öl-Biosynthese zu kennen. Dabei handelt es sich um einen sehr komplizierten Prozeß, an dem viele Gene und daraus resultierende Enzyme beteiligt sind. Viele dieser Gene und ebenso deren Produkte mit ihrer jeweiligen Funktion sind heute bekannt. Einige davon können geklont und in andere Organismen übertragen werden (Töpfer et al., 1995).
 
 

2.1.1. Sojabohnen mit niedrigem Gehalt an Linolensäure:
Die Linolensäure ist eine mehrfach ungesättigte FS mit 18 C-Atomen und 3 Doppelbindungen (C 18:3) und aus diesem Grund nur bedingt haltbar. Daher wird für Öl, welches über einen längeren Zeitraum lagerbar ist und dabei seinen Geschmack nicht verändern soll, ein geringer Anteil an Linolensäure gefordert.
Der fan-Locus in Kopplungsgruppe 17 codiert für die Enzyme w-3 und w-6 Desaturase, welche für die Bildung der Doppelbindungen nötig sind. Fehlt die w-3 Desaturase wird C 18:2 (Linolsäure) nicht mehr in C 18:3 umgewandelt. Bei fehlender w-6 Desaturase wird analog aus C 18:1 (Ölsäure) nicht C 18:2 gebildet.
Genotypen mit rezessivem Allel für w-3 bzw. w-6 Desaturase wurden gefunden (durch Methoden der Mutationszüchtung und nicht der Gentechnologie entwickelt, hier aber wegen der Bedeutung für die Qualitätszüchtung angeführt). In daraus gezüchteten Sojabohnenlinien konnte ein um bis zu 50 % reduzierter Linolensäuregehalt festgestellt werden. Der Anteil an dieser Fettsäure sank somit von den üblichen 8 % der konventionellen Sorten auf rund 4 %. Das aus diesen Sojabohnen gewonnene Öl ist geschmacklich besser und unterliegt weniger Abbauprozessen.
 
 
2.1.2. Sojabohnen mit hohem Gehalt an Ölsäure:
Die Ölsäure ist einfach ungesättigt (C 18:1) hat aber trotzdem eine gute oxidative Stabilität. Weiters ist sie in der Lage den LDL-Cholesteringehalt im Blut zu senken und genießt daher ein ernährungsphysiologisch hohes Ansehen.
Ein Antisensemechanismus wurde entwickelt, welcher die Expremierung der w-3 und w-6 Desaturase unterdrückt. Aus C 18:1 kann daher nicht mehr bzw. nur in geringen Mengen C 18:2 und C 18:3 synthetisiert werden, woraus eine Steigerung des Ölsäuregehaltes auf bis zu 85 % (konventionelle Sorten haben ca. 23 %) resultiert.
Das entsprechende Öl ist sehr stabil gegenüber oxidativen Abbaureaktionen und Hitze. Es ist somit gut zum Kochen und Fritieren geeignet.
Die auf diese Weise modifizierten Sojabohnen sind seit 1997 für den Anbau zugelassen und werden gegenwärtig auf einer Fläche von etwa 30.000 ha in den USA angebaut.

Das sind nur zwei Beispiele für die Veränderung des Fettsäuremusters mit Hilfe von biotechnologischen Methoden. Zusätzlich arbeitet man auch an Sojabohnen mit einem hohem Anteil an ungesättigten FS, welche besonders bei der Herstellung von Margarine gewisse Vorteile bringen (weniger unerwünschte trans-FS, da dieses Öl nicht hydrogeniert werden muß).
 
 

2.2. Verbesserung der Proteinqualität:
Die schwefelhaltigen Aminosäuren Methionin und Cystin sind im Sojaprotein nur in geringer Konzentration vorhanden und gelten somit als limitierend für die Qualität des Eiweißes. Mit traditionellen Züchtungsstrategien ist es aber kaum möglich den Methioningehalt zu erhöhen. Aus diesem Grund wurde nach einer biotechnologischen Methode gesucht, um den Anteil dieser essentiellen AS zu steigern. Eine Strategie ist dabei die Übertragung der cDNA für methioninreiche Proteine (MRP) aus Mais, Reis, Paranuß oder Sonnenblume in die Sojabohne.
 
 
2.2.1. Sojabohnen mit hohem Gehalt an Methionin:
Die cDNA für MRP der Paranuß (enthält ca. 18 % Methionin und 8 % Cystin) wurde mittels Agrobakterium in die Sojapflanzen übertragen. Die auf diese Weise transformierten Pflanzen weisen einen Methioningehalt von bis zu 8 % des Gesamtproteingehaltes (im Vergleich zu 1,6 % bei üblichen Sorten) auf. Allerdings wurde gleichzeitig auch ein Allergiefaktor gegen das Paranußprotein übertragen, aus diesem Grund erfolgte daher auch keine Kommerzialisierung. Neuere Arbeiten werden mit den MRP von Mais und Sonnenblume durchgeführt.

Neben der Erhöhung des Methioningehaltes wurde es auch versucht den Lysingehalt zu steigern. Dabei konnte eine Erhöhung um das Fünffache des Normalgehaltes erzielt werden. Parallel zu den hier beschriebenen Strategien zur Verbesserung der Proteinqualität gibt es noch eine Reihe weiterer Versuche und auch in Zukunft wird man sich mit diesem Thema auseinandersetzen, v. a. auch um den Gehalt an verdauungshemmenden Inhaltsstoffen zu reduzieren (Liu, 1997).
 
 

2.3. Herbizidtoleranz:
Die bekannteste genetische Modifikation der Sojabohne ist sicherlich die Toleranz gegenüber dem Totalherbizid Glyphosate (Roundup). Die von der Firma Monsanto unter dem Handelsnamen RoundupReadySoybeansâ vermarkteten transgenen Pflanzen werden gegenwärtig auf einer Fläche von ca. 20 Mio. ha haupsächlich in den USA und in Argentinien angebaut. In der EU ist der Anbau nicht erlaubt, wohl aber der Import.

Wirkungsmechanismus: das Herbizid Glyphosate inhibiert das Enzym 5-Enolpyruvylshikimat-3-Phosphatsynthase (EPSPS). EPSPS ist ein wichtiges Enzym für die Produktion von aromatischen Aminosäuren wie z.B. Tryptophan und Phenylalanin und kommt in allen Pflanzen, Pilzen und Bakterien vor. Wird Glyphosate appliziert sterben die Pflanzen innerhalb weniger Tage ab, da die EPSPS blockiert und somit die Synthese der lebensnotwendigen Aminosäuren unterbunden wird.
Eine Form der EPSPS welche hoch tolerant (allerdings nicht resistent) gegenüber Glyphosate ist, wurde bei einem umfangreichen Screening im Agrobakterium sp. CP 4, einem natürlich vorkommendem Bodenbakterium, gefunden.
Das Gen für die sogenannte CP 4 EPSPS wurde mittels Genkanone in die Sojabohne transferiert. Die auf einem speziellem Nährmedium (kanamycinhältig) regenerierten transgenen Pflanzen zeigten eine Toleranz auch gegenüber hohen Mengen an Glyphosate. (Padgette et al., 1995).






3. Zusammenfassung und Ausblick:
Die wichtigsten, aber bei weitem nicht alle, genetischen Modifikationen der Sojabohne wurden hier beschrieben. Von Bedeutung sind sicherlich die Transformationen, welche zur Veränderung des Fettsäuremusters führen, wie dies z.B. bei Sojaöl mit hohem Ölsäureanteil der Fall ist. Weiters stellen Sojabohnen mit hohem Methioningehalt eine deutliche Verbesserung der Proteinqualität dar. Die wirtschaftlich bedeutendste genetische Modifikation stellt aber die Herbizidtoleranz dar.
Auch in Zukunft wird die Gentechnik neue Verfahren für die Pflanzenzüchtung liefern, über deren Sinn oder auch Unsinn sicherlich diskutiert werden muß. Weiters sollte auch die Bevölkerung über die zahlreichen Chancen aber auch möglichen Risiken so gut wie nur möglich informiert werden.






4. Literatur:

           Hymowitz, T., 1999, Soybeans: The Success Story, http://www.nsrl.uiuc.edu/beanhistory/soysuccess1.htm,
                     Stand: 12.01.2000

           Liu, K. S., 1997, Soybeans: Chemistry, Technology and Utilization – New York: Chapman & Hall

           Padgette, S. R., et al., 1995, Development, identification and characterization of a glyphosate-tolerant soybean line,
                      Crop Science 35: 1451 – 1461

           Schuster, W., 1985, Sojabohne, in: Fischbeck, G., W. Plarre, W. Schuster, Lehrbuch der Züchtung
                       landwirtschaftlicher  Kulturpflanzen, Band 2 – Hamburg: Paul Parey

           Töpfer, R., N. Martini, J. Schell, 1995, Modifikation of Plant Lipid Synthesis, Science 268: 681 – 685