Reis

Reis (Oryza sativa) ist eine der bedeutendsten Nahrungspflanzen weltweit. Für fast die Hälfte der Erdbevölkerung sichert diese Getreidepflanze das tägliche Überleben. 2018 wurden fast 800 Millionen Tonnen weltweit produziert, 97 Prozent davon in Südostasien (China, Thailand, Indien). Dabei ist China der größte Reisproduzent der Welt, mehr als ein Drittel der gesamten Reismenge stammt von hier.

Vor allem in Südostasien dominiert der Nassreisanbau auf den typischen Reisterrassen. Hier können kaum Maschinen eingesetzt werden. Stattdessen wird mit einfachen, meist traditionellen, Mitteln produziert. Das Klima ist optimal für den Reisanbau: Die Sommer sind sehr feucht, die Jahresmitteltemperaturen mild (man spricht von Ostseitenklima). Wie wichtig Reis für die Ernährung insbesondere in asiatischen Ländern ist, zeigt sich bereits an der Sprache: So heißt das chinesische Wort „fàn“ sowohl „gekochter Reis“ als auch allgemein „Essen“. So ähnlich ist es in vielen asiatischen Sprachen.

Reis enthält zahlreiche wichtige Nährstoffe wie Eiweiß, Vitamine, Mineralstoffe und Ballaststoffe, hat jedoch auch eine negative Seite. Er ist es ein effizienter Speicher von Arsen. Es ist ein Halbmetall, das je nach den geologischen Gegebenheiten in unterschiedlichen Konzentrationen natürlicherweise in verschiedenen Verbindungen überall in der Erdkruste vorkommt. Arsen wird durch natürliche und durch Menschen verursachte Prozesse freigesetzt und kann beispielsweise durch die Verhüttung arsenhaltiger Zink-, Blei- und Kupfererzen, die Verbrennung fossiler Brennstoffe etc. in die Umwelt gelangen und so zusätzlich in die Böden eintragen werden.

Über das Grundwasser kann Arsen in unsere Nahrung und unser Trinkwasser gelangen. Reis, der auf unter Wasser stehenden Feldern angebaut wird, nimmt über die Wurzeln besonders viel Arsen auf. Der Arsengehalt im Reis schwankt somit je nach Arsengehalt in Wasser und Boden der Anbauregion und der Anbaumethode. Arsen kommt in unterschiedlichen Verbindungen vor: Organische Arsenverbindungen werden laut Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) als gesundheitlich unproblematisch angesehen. Anorganische Arsenverbindungen hingegen werden als gesundheitsschädigend für den Menschen klassifiziert. Bei langfristiger Aufnahme kann es schon in geringen Mengen Krebs, Hautveränderungen, Gefäß- und Nervenschädigungen sowie Herzkreislauferkrankungen fördern.

Arsen ist nicht nur giftig für den Menschen es schädigt auch die Reispflanzen selbst – ein Effekt, der sich durch den Klimawandel und den damit verbundenen Wassermangel verstärken wird. In Asien ist das Halbmetall vielerorts natürlicher Bestandteil des Grundwassers. Infolge der Bewässerung reichert es sich in den Böden der Reisfelder an. Ein internationales Forschungsteam an den Universitäten Stanford, Tübingen und Bayreuth hat in einer Studie zudem festgestellt, dass das Arsen aus dem Boden bei höheren Temperaturen verstärkt von den Reispflanzen aufgenommen wird. In diesen wiederum beeinträchtigt es die Bildung der Reiskörner Dadurch verringerten sich die durch die Klimaerwärmung bereits verminderten Erträge weiter.

Ein gewisser Arsengehalt in Reis lässt sich nicht vollständig vermeiden. Neben veränderten Anbaubedingungen, die jedoch mit einem Ertragsverlust einhergehen, spielt die Sortenwahl eine entscheidende Rolle bei der Arsenreduzierung. Gerade in asiatischen Ländern ist Reis ein Grundnahrungsmittel ohne wirkliche Alternativen. Deshalb rät die WHO Reissorten zu züchten, die weniger Arsen aufnehmen. Zum Schutz der menschlichen Gesundheit und zur Sicherung der Ernteerträge wird dringend nach Ansätzen gesucht, die Konzentration von anorganischem Arsen im Reiskorn zu verringern.

Die Anwendung von Methoden des Genome Editing verhalf hier zu ersten Forschungserfolgen: Ein Team von chinesischen Wissenschaftlern konnte inzwischen ein Gen identifiziert, welches für den Arsentransport in die Pflanze verantwortlich ist. Mithilfe von CRISPR/Cas9 ist es gelungen, dieses Gen auszuschalten. Der Transport von Arsen in die Pflanze und die Einlagerung im Reiskorn konnten durch dieses Vorgehen signifikant verringert wurden. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse, um Sorten mit verminderten Arsenrückständen zu züchten.

Updated:

Chinesische Forschende zeigen nun, wie durch Genomeditierung mit CRISPR/Cas9 der Arsengehalt in Reiskörnern um mehr als die Hälfte gesenkt werden kann. Sie veränderten dafür in den Reiswurzeln die beiden Gene OsLsi1 und OsLsi2, die beide Transportproteine für die Aufnahme von Silizium und Arsen kodieren. Dabei ist OsLsi1 für die Aufnahme der Spurenelemente aus der Umgebung in die Zellen verantwortlich, während OsLsi2 die Weitergabe in den Saftstrom der Pflanze vermittelt.

Während sich bei Pflanzen mit ausgeschalteter OsLsi1-Funktion keine Änderungen im Arsengehalt zeigten, nahmen Pflanzen mit relativ kleinen Veränderungen im letzten Abschnitt des OsLsi2-Gens Arsen wesentlich langsamer über die Wurzeln auf. In Feldversuchen in China im Sommer 2022 zeigte sich eine reduzierte Arsenkonzentration in den Pflanzen im Vergleich zu der unveränderten Reissorte, der Arsengehalt der Körner ging um bis zu 63 % zurück. Wie bei einer Veränderung der Aktivität des Transporterproteins zu erwarten, war auch der Gehalt am gesundheitlich unbedenklichen Spurenelement Silizium reduziert. Das warf Fragen zu möglichen nachteiligen Folgen für das Pflanzenwachstum auf. Allerdings war im Freiland der Körnerertrag pro Reispflanze praktisch unverändert.

Umfangreichere Freilandversuche müssen jetzt zeigen, ob sich die genomeditierten Reissorten unter verschiedenen Umwelt- und Anbaubedingungen bewähren. Wenn das der Fall ist, könnten Reissorten mit reduziertem Arsengehalt schon bald einen Beitrag zum Schutz der Gesundheit breiter Bevölkerungskreise leisten.

Quelle: Xuejie Xu et al. 2024, Editing Silicon Transporter Genes to Reduce Arsenic Accumulation in Rice, Environ. Sci. Technol. 58:1976–1985. https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10763

Quellen:

BfR/Fragen und Antworten zu Arsengehalt in Reis und Reisprodukten: https://www.bfr.bund.de/cm/343/fragen-und-antworten-zu-arsengehalten-in-reis-und-reisprodukten.pdf

Rice production threatened by coupled stresses of climate and soil arsenic. Nature Communications,

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12946-4

Arsenic Transport in Rice and Biological Solutions to Reduce Arsenic Risk from Rice

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2017.00268/full

OsPT4 Contributes to Arsenate Uptake and Transport in Rice

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2017.02197/full

OsARM1, an R2R3 MYB Transcription Factor, Is Involved in Regulation of the Response to Arsenic Stress in Rice

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29163593/