Mit Biotechnologie zur besseren Pflanze für die Rohstoffnutzung

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Technische Universität München
Mit Biotechnologie zur besseren Pflanze für
die Rohstoffnutzung
Eva Bauer und Gerd Wenzel
Wissenschaftszentrum Weihenstephan
Technische Universität München
eva.bauer@wzw.tum.de
Pflanzenzüchtung
Jede genetisch bedingte Veränderung,
die auf bewusster Selektion durch den Menschen beruht.
•
Ziel:
Anpassung der Pflanzen an die Wünsche des Menschen
(siehe Zuchtziele)
•
Methoden:
Ausnutzung
- bereits vorhandener Variation
- durch die Züchtung geschaffener Variation
- neu erzeugter Variation (Mutanten)
durch gezielte Selektion und Rekombination
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
2
Die wichtigsten Zuchtziele
Ertrag
- Kornertrag / Biomasse
- Ertragskomponenten
- Agronomische Eigenschaften
(Standfestigkeit, Reifezeitpunkt, Maschinenernte)
- Nährstoffeffizienz
Qualität
- Menschliche Ernährung (Inhaltsstoffe)
- Technische Prozesse (Backen, Brauen)
- Tierernährung (Inhaltsstoffe, antinutritive Subst.)
- Spezielle Inhaltsstoffe (Zucker, Speiseöl)
- Industrielle Verwertung (Öl, Stärke, Alkohol)
- Umweltstress (Kälte, Trockenheit, Hitze)
- Schädlinge (Insekten, Milben, Nematoden)
- Krankheitserreger (Viren, Bakterien, Pilze)
- Konkurrenten (Unkräuter)
Resistenz
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Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
Pflanzenzüchtung und Biotechnologie
Züchtung
Klassische Züchtung
Genetische Variation,
Neukombination,
Selektion,
Sortenentwicklung
Biotechnologie
Zellkultur
Schnelle Vermehrung,
Haploide,
Protoplastenfusion
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
Gentransfer
Genomics
Gendiagnose,
Funktionsaufklärung
4
Biotechnologische Werkzeuge
Zell- und Gewebekulturtechniken:
• Schnelle Vermehrung
• Erzeugung von doppelhaploiden Linien
• Regeneration von Transformanten
• Protoplastenfusion (Überwindung von Kreuzungsbarrieren)
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
5
Biotechnologische Werkzeuge
Transformation:
Einbringen arteigener
oder artfremder Gene
•
•
Neue Eigenschaften
Modifikation vorhandener
Eigenschaften
Æ Metabolic Engineering
Meist nur ein oder wenige
Gene übertragbar
Mirkov 2003, http://www.msu.edu
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Biotechnologische Werkzeuge
Molekulare Marker:
Selektion von Zielmerkmalen (Resistenz, Qualität)
Mehr Effizienz bei der Selektion
Æ vor allem für mono-/oligogene Merkmale geeignet
5
SSR2
R-Gen
SSR3
30
Pr
Ps
r r
r
s
r
s r
r
r s r
r
r s
r
r
SSR1
cM
Marker
Marker-gestützte Rückkreuzung
Æ z.B. Einlagerung von Transgenen in Hochleistungssorten
7
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
Genomics
…ACGCTTAGCACGTA…
…ACGATTAGCACGTT…
…ACGCTTAGCACGTA…
…ACGATTGGCTCGTA…
…ACGATTGGCTCGTA…
Sequenzierung:
- ESTs
- Genome
Kartierung:
- SNPs
- DNA-Chips
- Radiation hybrids
Funktionelle Analyse:
- Mutanten
-„gene machine“
- TILLING
Genomics
Genomevolution:
- Syntänie
- Vergleichende Kartierung
Expressionsanalyse:
- ESTs
- DNA-Chips
- Microarrays
Datenbanken:
- Algorithmen
- Annotation
- Funktionsvorhersage
- Metabolische Netzwerke
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Genomics
…ACGCTTAGCACGTA…
…ACGATTAGCACGTT…
…ACGCTTAGCACGTA…
…ACGATTGGCTCGTA…
…ACGATTGGCTCGTA…
Sequenzierung:
- ESTs
- Genome
Vom Modell
zu den Kulturpflanzen
Kartierung:
- SNPs
- DNA-Chips
- Radiation hybrids
Funktionelle Analyse:
- Mutanten
-„gene machine“
- TILLING
Genomics
Genomevolution:
- Syntänie
- Vergleichende Kartierung
Expressionsanalyse:
- ESTs
- DNA-Chips
- Microarrays
Datenbanken:
- Algorithmen
- Annotation
- Funktionsvorhersage
- Metabolische Netzwerke
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Anbauflächen NaWaRo
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Anbauflächen NaWaRo
Raps
Mais
Getreide
Kartoffel
Zuckerrübe
Sonnenblume
Faserpflanzen (Hanf, Lein)
▼
Viele verschiedene Arten, verschiedene Zuchtziele / Zuchtmethoden
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Variation zwischen Arten und innerhalb von Arten
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
12
Fettsäuremuster von Speiseölen
Rapsöl 6%
20%
Sonnenblumenöl
11%
Maiskeimöl
13%
Olivenöl
14%
Sojaöl
15%
10%
64%
65%
24%
56%
8% 1%
Gesättigte Fette
1%
30%
77%
54%
Linolsäure
7%
Alpha-Linolensäure
24%
Ölsäure
Nach Fussenegger & Widhalm (2003)
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Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
Genetische Diversität auf Sequenzebene
~ 0,1% Sequenzunterschiede
zwischen Menschen
~ 1% Sequenzunterschiede
zwischen Mensch und
Schimpanse
> 1% Sequenzunterschiede
zwischen Populus
trichocarpa Individuen
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Genetische Diversität auf Sequenzebene
~ 0,1% Sequenzunterschiede
zwischen Menschen
Sequenzunterschiede verstehen lernen
Funktionale Auswirkungen vorhersagen
~ 1% Sequenzunterschiede
zwischen Mensch und
Schimpanse
Korrelation Genotyp – Phänotyp überprüfen
▼
Gezielter Einsatz für unterschiedliche Nutzungsrichtungen
> 1% Sequenzunterschiede
zwischen Populus
trichocarpa Individuen
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Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
Raps im Wandel der Zeit
Anbaufläche
(ha)
http://www.biosicherheit.de
Zunehmende Nutzung
- als technischer Rohstoff
- für Energiegewinnung
Bis in die 70er Jahre:
technische Nutzung
(Öllampen etc.
Ausnahme: Krisenzeiten)
1974: Einführung 0-Sorten
1986: Einführung 00-Sorten
Lebensmittelnutzung;
Futtermittel
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
1996: Einführung Hybridsorten
Ertragssteigerung
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Modifikationen im Raps über transgene Ansätze
Lebensmittel
Technische Nutzung
Fettsäuren:
Produktion von LCPUFAs
Fettsäuren:
Veränderung FS-Muster
Protein für Humanernährung:
Reduktion von Sinapin
Steigerung FS-Gehalt
(v.a. Ölsäure)
Vitamine:
Steigerung Tocopherolgehalt
Neue Fettsäuren
(Laurinsäure)
Antioxidantien:
Steigerung Resveratrolgehalt
Biopolymere:
PHA, PHB
Energetische Nutzung
Steigerung der
Flächenerträge
(Biomasse, Öl)
Weitere Zuchtziele
definieren!
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Optimierung der Biomasseerträge je Fläche
Chang (2007)
Steigerung der Biomasse (klassisch und/oder gentechnisch):
• Pflanzenarchitektur, Blühzeitpunktverschiebung
• Stresstoleranz (biotisch, abiotisch)
• Photosyntheseeffizienz, Nährstoffeffizienz, Unkrautunterdrückung
• Modifikation von Lignin, Polysacchariden (induzierbare Cellulasen?)
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Weltweite Anbauflächen gentechnisch veränderter Pflanzen
Mio. ha
70
2007: Σ ~114 Mio. ha
Soybean
60
Maize
50
Cotton
Canola
40
30
20
10
0
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Quelle: Clive James, 2006
http://www.isaaa.org
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Gentechnische Ansätze
•
Transgene Ansätze meist auf ein oder wenige Gene beschränkt
•
Systeme für viele Kulturarten etabliert
•
Zunehmend machbar: Induzierbare Promotoren
Gewebespezifische Expression
•
Nutzung der Potentiale der Grünen Biotechnologie in der EU:
- Rechtliche Rahmenbedingungen erschweren den großflächigen Einsatz
- Aufwendige Zulassungsverfahren, Anbau erschwert, Vermarktung?
In jedem Einzelfall zu klären:
Frage nach der Rentabilität (F+E-Aufwand)
Angebot ↔ Nachfrage
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Neue Variation - Mutationszüchtung
Targeting induced local lesions in genomes (TILLING)
seed bank
Quelle: Slade & Knauf 2005, Colbert et al. 2001
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Neue Variation - Mutationszüchtung
TILLING:
•
Suche nach neuen allelischen Varianten für Kandidatengene
(z.B. Schlüsselgene in Stoffwechselwegen)
•
Vorteile:
- Nicht-transgener Ansatz
- Generiert neue allelische Variabilität
- High throughput
- Auch geeignet um artspezifische, natürliche Varianten zu identifizieren
(EcoTILLING)
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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Interdisziplinäre Forschungsansätze
Molekulare und
Phänotypische
Diversität
Genomik, Transkriptomik,
Proteomik, Metabolomik
Phänomik
Angewandte Genomik
Gentechnik
Gentechnik
Quantitative Genetik
Selektionstheorie
Populationsgenetik
Züchtungsinformatik
Bioinformatik
Sorte
der Zukunft
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Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
Interdisziplinäre Forschungsansätze
Molekulare und
Phänotypische
Diversität
Zuchtziele definieren !
Genomik, Transkriptomik,
Proteomik, Metabolomik
Gentechnik
Quantitative Genetik
▼
▼
▼
▼
Phänomik
Angewandte Genomik
Gentechnik
Selektionstheorie
Populationsgenetik
Züchtungsinformatik
Bioinformatik
Sorte
der Zukunft
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung
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