Wie KI helfen kann, Ketchup vor dem Klimawandel zu schützen

Halte an deinem Heinz fest. Die jüngste drohende Nahrungsmittelknappheit wird wahrscheinlich auch Ketchup betreffen, was unmittelbar auf die Kartoffelchips-Krise des letzten Jahres folgt und auf Senf basiert (zumindest in Frankreich). Drei Sommer mit beispielloser Hitze in den wichtigsten Tomatenanbaugebieten der Welt – Australien, Spanien und dem Zentraltal Kaliforniens – haben zu einem steilen Rückgang der Vorräte an Tomatenmark, der Hauptzutat für Ketchup und andere Gewürze, geführt. Kalifornien, das ein Viertel der weltweiten Tomaten und 95 % der in US-Konserven verwendeten Tomaten produziert, lieferte 2021 aufgrund der anhaltenden Dürre fast 5 % weniger als die erwartete Ernte und im Jahr 2022 10 % weniger Landwirtschaftsdeparment der Vereinigten Staaten von Amerika. Rekordniederschläge zu Beginn dieses Jahres halfen bei der Dürre, überfluteten aber auch die Felder und zwangen die Landwirte, die Aussaat zu verschieben, was auch in diesem Jahr zu geringeren Erträgen führen könnte.

Andere Grundnahrungsmittel aus Lebensmittelgeschäften dürften diesem Beispiel folgen, da der Klimawandel, der durch die ständig steigenden Emissionen fossiler Brennstoffe vorangetrieben wird, verheerende Auswirkungen auf Nutzpflanzen von Mais bis hin zu Rapsöl hat. Die Auswirkungen werden sich auf unvorhersehbare Weise auf die Lieferkette auswirken und zu höheren Preisen und Engpässen nicht nur bei wetterempfindlichem Obst und Gemüse führen, sondern auch bei Artikeln, die scheinbar so weit von der Natur entfernt sind wie ein Flamin' Hot Cheeto von einem Maisfeld. Während sich unsere Grundnahrungsmittel möglicherweise irgendwann an ein wärmeres Klima anpassen, vollzieht sich die Entwicklung in einem Zeitrahmen, der nicht mit den Marktanforderungen übereinstimmt. Wenn Ketchup, Cocktailsauce und Marinara für Pizza mit der Nachfrage Schritt halten sollen, muss die Wissenschaft eingreifen, um die Entwicklung zu beschleunigen.

Tomaten gedeihen bei großer Hitze, aber wie Menschen brauchen sie kühle Nächte, um sich auszuruhen, besonders wenn sie blühen. Wenn die heißen Nächte einer Hitzewelle länger als ein paar Tage dauern, wie es in wichtigen Tomatenanbaugebieten mittlerweile der Fall ist, verwelken die zartgelben Blüten am Weinstock und damit auch alle Hoffnungen auf saftige rote Früchte einige Wochen später. Anders als beispielsweise Getreideunternehmen, die den Lieferanten wechseln können, wenn sich lokale Ernteengpässe abzeichnen, verfügen die meisten Hersteller von Tomatenprodukten über vertikal integrierte Lieferketten: Sie liefern ihr eigenes Saatgut an Vertragsbauern, die nach Spezifikation anbauen, und transportieren die Ernte dann zu Verarbeitungsbetrieben in der Nähe die auch den Produzenten gehören. Die meisten dieser Tomaten werden zu Paste verarbeitet, einer haltbaren Zutat, auf die Gewürzhersteller angewiesen sind, um die Produktion auch dann aufrechtzuerhalten, wenn frische Tomaten außerhalb der Saison sind. Aber drei Jahre später beginnen diese Reserven zur Neige zu gehen. „Dieses Jahr wird entscheidend sein“, sagt Mariano Alvarez, Evolutionsbiologe und Chefwissenschaftler bei Avalo, einem Biowissenschaftsunternehmen mit Sitz in North Carolina. „Wenn es ihnen nicht gelingt, eine gesunde Ernte zu erzielen, wird es für jeden, der Tomatenmark in seinen Produkten verwendet, eine Herausforderung.“

Ungewöhnliches Wetter war schon immer eine Herausforderung in der Landwirtschaft, sei es der Kälteeinbruch in der Spätsaison, der die Früchte am Rebstock gefriert, oder ein ungünstiger Sturm, der den Weizen kurz vor der Ernte platt macht. Der Klimawandel untergräbt jedoch einige der Grundannahmen darüber, wo und wann wir unsere Pflanzen anbauen. Uralte Flüsse trocknen aus. Harte Winterfröste kommen immer seltener vor, was bedeutet, dass Schädlinge ein weiteres Jahr überleben und sich vermehren können. Hitzewellen kommen früher, bleiben länger und beeinträchtigen die Fruchtzyklen. Der Regen kommt stark und schnell und wäscht neu gepflanzte Samen weg, bevor sie Wurzeln schlagen können. Unsere Grundnahrungsmittel konnten nicht mithalten, ganz zu schweigen von den Luxusgütern, die wir mittlerweile als Grundnahrungsmittel betrachten: Bananen, Kaffee, Schokolade, Wein, Olivenöl, Trüffel.

Entweder müssen wir uns an ein Leben ohne die Nutzpflanzen gewöhnen, die das Leben lebenswert machen, oder wir müssen diese Nutzpflanzen an unser sich veränderndes Klima anpassen. An Letzterem arbeiten Pflanzenwissenschaftler wie Alvarez. Eine Erhöhung des Einsatzes und ein Umzug an einen besseren Standort seien nicht immer möglich, sagt Alvarez. „Für viele [Tomatenproduzenten] besteht die einzige Möglichkeit darin, die Biologie der Pflanzen selbst irgendwie zu verändern.“ Alvarez versucht genau das zu erreichen, indem er maschinelles Lernen nutzt, um neue Kreuzungen zu entwickeln, die besser an das wärmere Wetter angepasst sind. Er ist Teil einer wachsenden Kohorte von Wissenschaftlern und Landwirten, die auf Innovationen in den Bereichen Robotik, Chemie, Genomsequenzierung, genetisches Mining und künstliche Intelligenz zurückgreifen, um Pflanzen für eine Zukunft mit Klimawandel zu entwickeln.

Am 16. Mai brachte ein weiteres Biotechnologie-Startup mit Sitz in North Carolina namens Pairwise die weltweit ersten CRISPR-basierten Salatblätter auf den US-Markt. Dabei nutzte es die relativ neue Gen-Editing-Technologie, um nährstoffreichen Senfblättern die Bitterkeit zu entziehen. Sie entwickeln auch eine kernlose Kirsche und eine kernlose Brombeere. Während ihr Ziel darin besteht, gesundes Obst und Gemüse einfacher zu essen und schmackhafter zu machen, kann die Technologie auch dazu genutzt werden, Grundnahrungsmittel klimafest zu machen. Landwirtschaftswissenschaftler in Australien haben Genomsequenzierung eingesetzt, um hitzetolerante Eigenschaften in Kichererbsen zu identifizieren und zu verstärken und so eine proteinreiche Bohne zu produzieren, die nicht nur überlebt, sondern auch gedeiht, wenn die Temperaturen 100 °F übersteigen. Ein anderes Forschungsteam in Edinburgh, Schottland, arbeitet an der Entwicklung einer „Superkuh“ durch Genbearbeitung, die widerstandsfähiger gegen Hitzestress und Krankheiten ist, um die Bevölkerung in den von Dürre betroffenen Ländern der Zukunft zu ernähren. Wissenschaftler beantragen nun die Verkaufsgenehmigung für Australiens erste gentechnisch veränderte Frucht – eine Banane –, die so entwickelt wurde, dass sie einem tödlichen Pilz standhält, der die weltweite Bananenproduktion bedroht. (Die USA erlauben bereits den Verkauf von gentechnisch veränderten Äpfeln, Papayas und rosa Ananas.)

Alvarez‘ Version der assistierten Evolution basiert auf einer einfacheren Strategie. Anstatt genetische Veränderungen zu nutzen, die auf bestimmte Gene abzielen, nutzt sein Team Modelle des maschinellen Lernens, um sowohl bei Kulturpflanzen als auch bei ihren wilden Verwandten nach wünschenswerten Merkmalen wie Trockenheits- oder Hitzetoleranz zu suchen. Dann schlägt ein KI-gestütztes Empfehlungssystem vor, welche Kreuzungen hinsichtlich Geschmack, einfacher Produktion und Widerstandsfähigkeit die besten Ergebnisse liefern könnten.

Walderdbeeren zum Beispiel sind viel toleranter gegenüber Trockenheit und Hitze als die rubinroten Giganten, die heutzutage in den meisten Supermärkten erhältlich sind, aber sie sind klein und leichter zu quetschen, was den Versand über große Entfernungen erschwert. Die KI kann vorschlagen, welche Stämme der Walderdbeeren mit domestizierten Sorten gekreuzt werden sollten, um einen größeren, schmackhafteren und klimaangepassten Nachfolger zu erhalten. Gartenbauer praktizieren diese Art der Kreuzung schon seit Jahrhunderten – so kamen wir überhaupt erst zur domestizierten Erdbeere –, aber die KI macht das Ausprobieren überflüssig und beschleunigt den Prozess. Sobald eine potenzielle Kreuzung identifiziert ist, gehen die Wissenschaftler ins Gewächshaus, um sie auszuprobieren, düngen die Pflanzen manuell, pflanzen die resultierenden Samen und warten dann ab, was dabei herauskommt.

Zusätzlich zu seinen Erdbeeren lässt Alvarez im Avalo-Gewächshaus in North Carolina einige von der KI vorhergesagte Kreuzungen wachsen: dürretoleranten Reis, Brokkoli mit weicheren, schmackhafteren Blättern (um Lebensmittelverschwendung zu reduzieren) und natürlich hitzebeständige Tomaten. Der schwierige Teil ist jetzt das Warten. Während Computer den Auswahlprozess beschleunigen können, liegt das Wachstum immer noch im Zeitplan der Natur. „Wir können die Pflanzen nicht schneller zum Blühen bringen und diesen Entwicklungszyklus durchlaufen. Das Beste, was wir jetzt tun können, ist, in ein paar Jahren neue Sorten zu produzieren“, sagt Alvarez, statt der sieben bis zehn Jahre, die dafür nötig wären der konventionellere Prozess. Computer mögen zwar in der Lage sein, die Evolution zu beschleunigen, aber sie ist immer noch nicht schnell genug, um Ketchup für die Grillsaison im Sommer oder Tomatensauce für die Spaghetti und Fleischbällchen im nächsten Winter aufzubewahren. „Wenn die Leute die nächsten Jahre durchhalten können, besteht meiner Meinung nach eine wirklich gute Chance, dass wir etwas aufbauen können, das viel klimaresistenter ist“, sagt Alvarez. „In der Zwischenzeit müssen wir nur auf gute Regenfälle und kühle Sommer hoffen.“ Nicht nur zur Sicherung der Ketchup-Versorgung, sondern zum Wohle aller unserer Gewürze.

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