Transgene Pflanzen

Seite aus: Natura aktuell 6, ISBN: 3-12-043493-0
Autor: Dr. Horst Schneeweiß
Grafiken: Jörg Mair, Herrsching
www.klett-verlag.de
Transgene Pflanzen gegen TNT-verseuchte Böden
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Klassenstufe: 12/13
Schwerpunkt: Ökologie (Gentechnik)
Voraussetzungen: Basiswissen der
molekularen Genetik
3. Da die transgene Tabaksorte nsf1 TNT im
Laborversuch quantitativ aus dem
Kulturmedium aufnimmt, ist sie ein geeigneter
Kandidat zur Erprobung in Feldversuchen. Ob
sich die Sorte dort auch tatsächlich bewähren
wird, ist noch unklar.
Sachinformation
Übertragung des TNT-Gens
TNT-Verseuchung – ein globales
Umweltproblem
TNT (2,4,6-Trinitrotoluen) ist ein für militärische
Zwecke häufig genutzter Sprengstoff. Die
langlebige und äußerst toxische Substanz hat in
ehemaligen Kriegsgebieten (z. B. in Nordafrika, in
Vietnam oder Kuwait), in Fabrikationsstätten,
lecken Munitionsdepots und Übungsgeländen
weiträumige Verseuchungen verursacht. TNT ist
toxisch in Konzentrationen von über 10 ppm. Es
schädigt das Knochenmark und kann
Leberzirrhose und Krebs hervorrufen. Militärisch
genutzte Gelände weisen teilweise
„Hintergrundkontaminationen“ von bis zu 1500
ppm auf!
Besonders deutlich wird die Brisanz des Themas
am Problem der Landmienen, die gewöhnlich
TNT enthalten. Korrodierende Mienen setzen das
starke Umweltgift frei und verseuchen Böden,
Gewässer und Grundwasser. Für die Entsorgung
der schätzungsweise 110 000 000 weltweit
ausgebrachten Mienen veranschlagen die UN
eine Summe von 110 000 000 000 Dollar.
Arbeitsblatt Seite 23
1. Unter TNT-Belastung zeigt der Tabak-Wildtyp
einen starken Biomasseverlust, insbesondere
bei der höheren TNT-Konzentration (s. Tab.
1). Die transgene nfs1-Tabaksorte zeigt zwar
im Vergleich zur unbelasteten Kontrolle auch
einen Rückgang im Wachstum, die Pflanzen
sind aber auch unter diesen Bedingungen in
der Lage, Biomasse neu zu bilden; sie
wachsen.
2. Die transgenen nsf1-Tabakpflanzen nehmen
TNT quantitativ aus dem Kulturmedium auf,
der Wildtyp dagegen nur geringe Mengen
(Abb. 1). Die TNT-Konzentrationsbestimmungen der pflanzlichen Extrakte (Abb. 2)
erscheinen auf den ersten Blick
widersprüchlich: Die Wildtyppflanzen weisen
einen hohen TNT-Gehalt insbesondere im
Bereich der Wurzeln auf. Bei nsf1 hingegen
wird kein TNT nachgewiesen und ADNT auch
nur in geringerer Konzentration. Das könnte
daran liegen, dass die transgenen Pflanzen
TNT in andere Stoffwechselprodukte, die nicht
nachgewiesen wurden, umsetzen oder aber
die Stoffwechselprodukte an Zellbestandteile
(z. B. an die Zellwand) binden. Bei der
Interpretation der Ergebnisse ist auch zu
bedenken, dass die TNT-Konzentrationen in
Abb. 1 in Millimol, in Abb. 2 jedoch in
Nanomol angegeben sind und sich dort
außerdem auf 1 g Pflanzenmasse beziehen.
Das TNT-Resistenzgen wurde nach der Isolierung
der DNA des Bakteriums Enterobacter cloacae
mithilfe der Polymerase-Ketten-Reaktion
vervielfältigt. Das PCR-Produkt wurde dann in
eine Kultur des Bodenbakteriums Agrobakterium
tumefaciens gegeben. Die Bodenbakterien
nehmen die Fremd-DNA auf und bauen sie in ihr
Plasmid ein. Agrobakterium tumefaciens ist für
zahlreiche höhere Pflanzen infektiös. Es ruft
Wucherungen hervor. Dies nutzt man
experimentell aus, indem man die Bakterien
zusammen mit Gewebestücken aus Blättern der
Tabakpflanze inkubiert. Die Plasmide werden von
den Bakterien abgegeben und gelangen in die
Zellen der Tabakpflanze. Dort wird die FremdDNA in das Genom eingebaut. Dieses Zellmaterial wird dann zur Selektion in TNT-haltigem
Kulturmedium gehalten. Nur diejenigen Zellen, die
das TNT-Resistenz-Gen enthalten, können
weiterwachsen und bilden innerhalb von zwei bis
drei Wochen Triebe aus. Diese werden aus den
Gewebe-Calli herausgeschnitten und zur
Bewurzelung in wurzelinduzierendes Medium
gebracht. Nach rund zwölf Tagen sind die
Sprosse bewurzelt und können ausgepflanzt
werden. Das TNT-Resistenz-Gen wird sexuell
auch an die Tochtergenerationen weitergegeben.
Abbau des TNT
Das Enzym Nitroreduktase aus dem Bakterium
Enterobacter cloacae reduziert TNT nach
folgendem Schema zu ADNT:
O2N
H2O
CH3
CH3
NO2
O2N
NO
NO2 2e–+2H+
2,1,6trinitrotoluen
(TNT)
O2N
NO2 2e–+2H+
2-nitroso-4,6dinitrotoluen
(NO DNT)
H2O
CH3
CH3
NHOH
O2N
NH2
NO2
2e–+2H+
2-hydroxyl-4,6dinitrotoluen
(HADNT)
NO2
2-amino-4,6dinitrotoluen
(ADNT)
Literaturhinweise
BRYANT C. et al.: Cloning, nucleotide sequence
and expression of nitroreductase gene from
Enterobacter cloacae. In: J. Biol. Chem., Vol
266, S. 4126–4130 (1991)
HANNIK, N. et al.: Phytodetoxification of TNT by
transgenic plants expressing a bacterial nitroreductase. In: Nature Biotechnology, Vol
19,
S. 1168_1171 (Dezember 2001)
HORSCH, R. B. ET AL.: A SIMPLE AND GENERAL
© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2003. Von dieser editierbaren Druckvorlage ist die Vervielfältigung und Veränderung für den eigenen
Unterrichtsgebrauch gestattet. Für Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung.
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METHOD FOR
TRANSFERRING GENES
INTO PLANTS. IN:
SCIENCE, VOL. 227,
S. 1229–1231 (1985)
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Transgene Pflanzen gegen TNT-verseuchte Böden
In den letzten hundert Jahren haben Herstellung und Einsatz des Sprengstoffs TNT zu einer weiträumigen
Verseuchung der Umwelt geführt. TNT ist für Tiere und Pflanzen hochgradig giftig. Versuche, belastete Böden
durch Hitzebehandlung zu entseuchen, haben zu Luftverunreinigungen geführt; außerdem entstand giftige Asche.
Das Verfahren ist zudem teuer und deswegen in Ländern der „Dritten Welt“, wo das Problem nach zahlreichen
kriegerischen Auseinandersetzungen am drängendsten ist, nicht einsetzbar.
Pflanzen haben die Fähigkeit, mit ihrem weit verzweigten Wurzelsystem TNT aufzunehmen. Sie könnten zur
Entseuchung von Böden eingesetzt werden, man müsste sie nur abernten und entsorgen. Ein Problem aber ist,
dass Pflanzen durch TNT stark geschädigt werden und schließlich verkümmern. Gentechniker haben nun in
Bakterien ein Enzym (Nitroreduktase) gefunden, das in der Lage ist, TNT chemisch zu verändern und damit
weitgehend ungiftig zu machen. Die Forscher haben das kodierende Gen (nfs1) aus dem Bakterium auf
Tabakpflanzen übertragen. Ergebnis einer solchen Manipulation sind so genannte transgene Pflanzen.
TNT im
Medium
(mM)
Wildtyp
Masse (g)
vor TNTBehandlung
nach TNTBehandlung
Differenz
vor TNTBehandlung
nach TNTBehandlung
Differenz
11,37
11,20
11,59
16,90
11,30
7,59
+ 5,53
+ 0,10
– 4,00
11,08
11,40
11,93
16,88
14,65
13,95
+ 5,80
+ 3,25
+ 2,02
0,0
0,1
0,25
Tab. 1
transgener Tabak (nsf1)
Masse (g)
Tabakpflanzen wurden 7 Tage lang in TNT-haltigem Medium gehalten. Das Pflanzenmaterial wurde vorher und danach
gewogen.
TNTKonzentration
im Medium (mM)
0,25
TNTKonzentration
pro g
Pflanzenmasse
(nM)
ADNT
TNT
120
0,2
Wildtyp
nfs1
100
0,15
Wildtyp
nfs1
0,1
60
0,05
40
20
0
0
40
20
Abb. 1
80
80
60
120 160 0
40
80
120 160
100 140
20
60
100 140
Zeit (Stunden)
Verlauf der TNT-Konzentration im Medium
0
Wurzeln
Abb. 2
Triebe
Wurzeln
Triebe
TNT u. ADNT (Abbauprodukt) im Pflanzenmaterial
Aufgaben
1. In Laborversuchen wurden die Wachstumseigenschaften der Tabakpflanzen festgestellt. Welches sind die
Unterschiede zwischen unveränderten Tabakpflanzen (Wildtyp) und transgenen Pflanzen?
2. Was kann über den Verbleib des TNT in nfs1-transgenen Tabakpflanzen ausgesagt werden?
3. Sind die transgenen Tabakpflanzen zur Entseuchung von TNT-belasteten Böden geeignet? Begründen Sie Ihre
Einschätzung.
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