Transgen oder Nicht Transgen: Biotechnologie bei Pflanzen

Transgen oder Nicht Transgen:
Biotechnologie bei Pflanzen
10.000 Jahre Domestikation von Pflanzengenen
Petra Bauer, Molekulare Pflanzenbiologie und Botanik
http://www.uni-saarland.de/fak8/botanik/
Ernährung
Futtermittel
Rohstoffe
Bioreaktor
Arzneimittel
Kosmetik
Zierpflanzen
Erwünschte Merkmale bei Kulturpflanzen
Gene bestimmen die Merkmale
• Größe und Form
• Ertrag
• Verarbeitung
• Qualität
• Robustheit
Wilder Einkorn
Wie erhält man Kulturpflanzen mit neuen
Merkmalen … ?
Mutation und Selektion
Mutante Gene
Mutagen
Beispiele für Mutation und Selektion:
Aus Wildkraut wird Kohl
Brassica oleracea - Kohlvarianten
Aus Wildmais wird eine der ertragreichsten Kulturpflanzen
Teosinte, Vorfahr von Mais
5-6 Haupt-Domestikationsgene von Mais
Wie erhält man Kulturpflanzen mit neuen
Merkmalen … ?
Mutation und Selektion
Mutante Gene
Gentechnische Veränderung
Transgene
Transgene Pflanzen
Agrobacterium tumefaciens:
Gallentumorkrankheit
Transgene Pflanzen in der Forschung und
in der Anwendung
Maiszünsler
Bacillus thuringiensis
Anbau in USA (in Mio. ha)
Wie erhält man Kulturpflanzen mit
neuen Merkmalen … ?
Gentechnische Veränderung
Mutation und Selektion
Transgene
Mutante Gene
Kreuzung mit Wildpflanzen und Selektion
Wildgene
Genbanken: Konservierung von wertvollen
Pflanzenressourcen
Reis
Mais, Weizen
Kartoffel
Kreuzung mit Wildpflanzen und Selektion
Wildreis
resistent
Oryza nivara
X
Kulturreis anfällig
Oryza sativa
anfällig
Reis infiziert mit einem Virus:
(„Grassy Stunt Virus“)
Kulturreis resistent
Oryza sativa
Züchtung durch Einkreuzung von Wildgenen
Nach 7 Rückkreuzungen: 0,42 % Wildgene (ca. 150 Wildgene) !!
6X
X
X
Rückkreuzung
Anfällig
Kultursorte
Resistent
Wildpflanze
r
r
a
r
Merkmale können durch Gendiagnostik in den Nachkommen
verfolgt werden
A
B
D
C
Biotechnologie in Pflanzen wird an Modellpflanzen erprobt
Arabidopsis thaliana
• www.tair.de
Modellpflanzen = Pflanzen, die sich leicht bearbeiten lassen
Pflanzengene, die wir essen …
Grobe Angaben, ca. pro Maiszelle
•
•
•
•
0-2 Transgene
150 übertragene Wildgene
40.000 Gene
1.000.000 Transposons und Retrotransposons
10.000 Jahre ist es her, daß eine der wichtigsten Revolutionen in der
Menschheitsgeschichte begann, nämlich der Übergang zu Ackerbau
und Viehzucht.
Anfangs kultivierten die Menschen noch Wildpflanzen, wie sie sie in der
Natur vorfanden. Diese Wildpflanzen waren alles andere als praktisch.
Schon bald erkannten die Menschen damals, dass bestimmte pflanzliche
Merkmale auf die Nachkommen weitergegeben werden also vererbt
werden konnten. Man begann, Saatgut gezielt auszuwählen und durch
Kreuzung zu verändern. Wildpflanzen wurden somit zu Kulturpflanzen
domestiziert, und seither stetig weitergezüchtet. Es gibt heute keine
Kulturpflanze, die nicht von Menschen erlesen wurde.
Heute nutzen wir eine große Vielfalt von Pflanzen. Pflanzen sind nicht
nur wichtigster Rohstoff für die Ernährung und die Futtermittelproduktion.
An Bedeutung nehmen Pflanzen auch zu als Rohstofflieferant für andere
Zwecke, Öle, Baumwolle, Fasern, zum Beispiel. Da Pflanzen die Energie
zur Herstellung der Rohstoffe durch die Photosynthese selber gewinnen,
sind Pflanzen eines der preiswertesten Systeme zur Produktion
überhaupt.
Was ist Züchtung? Züchtung ist die gezielte Auslese von erwünschten
Merkmalen. Da die Merkmale von Genen bestimmt werden, ist Züchtung
die gezielte Auslese von Genen. Mit jedem Züchtungsvorgang daher die
Gene der Pflanze verändert.
Welche Merkmale spielen bei der Züchtung eine Rolle ?
Schon in der Steinzeit achtete man auf Größe, Form, Ertrag der
kultivierten Pflanzen. Zum Beispiel unterschied sich der erste
domestizierte Weizen von seiner Wildform durch die Stabilität der
Ährenachse. Die Ähren fielen nun nicht mehr auseinander und lagen
zerstreut auf dem Boden, was die Ernte erheblich vereinfachte. Wichtige
Eigenschaften sind auch die leichte Verarbeitung, z.B. das Herauslösen
der Körner durch Dreschen, die Qualität, zum Beispiel Backqualität beim
Brotweizen, oder auch die Robustheit gegenüber Schädlingsbefall,
ungünstige klimatische Bedingungen oder schlechte Böden.
Welche Methoden zur Züchtung gibt es?
Drei Methoden werden vorgestellt.
Zum einen besteht die Möglichkeit, daß man neuartige Gene durch
Mutation erhält, d.h. das Gen wird verändert. Solche Mutationen können
spontan auftreten und von Landwirten im Feld entdeckt werden. Dies
war über Jahrtausende der Fall.
Heute wird den Mutationen häufig nachgeholfen, indem Pflanzensamen
mit mutagenen Stoffen oder mutagener Strahlung behandelt werden.
Dadurch werden sehr viele Mutationen in die Nachkommen eingeführt
und die Wahrscheinlichkeit ist hoch, daß man eine neue interessante
Eigenschaft findet.
Klassisches Beispiel für Mutationen : Die eßbaren Varianten des
Wildkohl, Brassica oleracea, ist alles eine Spezies, aber eben mit
unterschiedlichen Mutationen. Die Mutationen betreffen Gene, die zum
Beispiel bei der Blattentwicklung wichtig sind, Weißkohl hat stark
vergrößerte Blätter, oder bei der Ausbildung von Blüten und
Blütenständen, der Blumenkohlkopf ist ein riesiger gestauchter
Blütenstand.
Ein historisches Beispiel für Mutation und Selektion : Vor etwa 6000
Jahren entdeckten die Urindianer Mexikos eine Maisvariante, die
besonders viele Körner bildete, die obendrein leicht zugänglich waren.
Es gilt heute als sehr wahrscheinlich, daß Teosinte, eine enge
Verwandte und immer noch in Mexiko beheimatete Wildmaissorte,
Vorfahr von Mais ist. Die Körnerausbeute ist niedrig und Körner von
Teosinte sind fest von einer Schale umschlossen, fast nicht
aufzuschließen.
Umso mehr verwundert es, daß es nur wenige, nämlich nur 5-6 Gene
sind, die hauptsächlich an der Domestikation von Mais beteiligt waren.
Und es sind diese sechs Gene, hier in rot auf den 10 Chromosomen von
Mais eingezeichnet, die das Aussehen der Pflanzen beeinflussen, also
die verringerte Ausbildung von Seitentrieben, die Ausbildung von
getrennten männlichen und weiblichen Blütenständen, die Anzahl der
Körner oder die Ausbildung der Schalen.
Eine weitere Methode, um Kulturpflanzen mit neuen Eigenschaften zu
erhalten, ist die gentechnische Veränderung. Dabei werden neue
fremdartige Gene in die Pflanze übertragen, so dass die Pflanze neue
Eigenschaften erhält, durch das Transgen.
Die eleganteste Methode zur Herstellung von transgenen Pflanzen nutzt
einen einzigartigen Spezialfall der Natur aus.
Es gibt nämlich Bakterien, Agrobacterium tumefaciens, die Pflanzen als
Schädlinge befallen. Die befallenen Pflanzen bilden dann Gallentumoren
aus. Das einzigartige ist, dass diese Bakterien beim Befall der Pflanze
ein Teilstück ihrer Erbsubstanz kopieren, in die Pflanzenzelle einführen
und dort auch noch in die Chromosomen der Pflanze einbauen. Dadurch
erhalten diese Pflanzenzellen ein Stück Bakterien-DNA und erhalten
transgene Zellen. Die transgenen Zellen beginnen dann sich zu
vermehren und diese Gallen zu erzeugen.
Wir wissen, wie die Bakterien-Erbinformation übertragen wird, und
können die Bakterien Erbinformation verändern, so dass die von uns
gewünschten Gene von Agrobacterium in die Pflanzenchromosomen
eingeschleust werden.
Im Labor und in der Forschung sind transgene Pflanzen mit
verschiedensten Eigenschaften sehr nützlich und werden routinemäßig
hergestellt.
Aber auch in der Anwendung in der Landwirtschaft sind transgene
Pflanzen weltweit immer weiter verbreitet, vor allem Mais, Soja,
Baumwolle und Raps.
Beispiel: BT Mais enthält ein Protein aus Bakterien, das ganz spezifisch
für bestimmte Insekten giftig ist. Ein weit verbreiteter Schädling beim
Mais ist der Maiszünsler, weshalb in Gegenden, wo er vorkommt, viel mit
Insektiziden gespritzt wird. BT Mais ist eine Alternative.
Es gibt noch eine dritte Methode zur Verbesserung von Pflanzen,
nämlich das Einkreuzen von Wildgenen.
Da Wildpflanzen oft mit extrem ungünstigen Umweltbedingungen zurecht
kommen müssen, haben Wildpflanzen ein großes Reservoir an
nützlichen Gene für die Robustheit.
Um Wildpflanzen und deren Wildgene zu bewahren, sammelt man sie
weltweit in sog. Genbanken, und lagert sie dort als Samen zum Beispiel
ein. Beispiele für internationale Genbanken sind das Cimmyt in Mexiko
für Mais und Weizensammlungen, das internationale Kartoffelzentrum in
Peru oder das Reiszentrum IRRY auf den Philippinen.
Beispiel für die Einkreuzung von Wildgenen: Vor etwa 30 Jahren
verwüstete ein Virus viele Reisfelder in Südostasien. Am internationalen
Reisinstitut suchte man in 6000 Wildreislinien nach resistenten Linien.
Die Wildpflanze wurde mit Kulturreis gekreuzt und schließlich erhielt man
den resistenten Kulturreis.
Detailliertes Schema der Einkreuzung von Wildgenen in Kulturpflanzen:
Die F1 Pflanze ist eine Hybridpflanze. Wird sie weiter vermehrt kommt es
zu Chromosomenaustauschen zwischen den beiden unterschiedlichen
Chromosomen (Rekombination). Alle Nachkommen der F1
Hybridpflanze sind daher anders, nicht mehr alle Nachkommen werden
die gewünschten Eigenschaften der Wildpflanze haben, sondern müssen
getestet und ausgewählt werden. Nach insgesamt 7 Rückkreuzungen mit
der Kulturpflanze erhält man eine resistene Kulturpflanze, die von der
Wildpflanze fast nur noch den Resistengenbereich enthält. Mit jeder
Rückkreuzung verliert die Kulturpflanze die Hälfte, 50%, der Wildgene,
kommt man nach 7 Rückkreuzungen bei 0,42 % Wildgenen heraus. Bei
den Informationen, die wir aus der biotechnologischen
Pflanzengenanalyse haben, wären das also etwa 150 Gene aus der
Wildpflanze, die in der Kulturpflanze verbleiben.
Vereinfachung in der Züchtung: Mit Pflanzengensequenzen und der
Lage von Genen auf den Chromosomen kann im Genlabor eine Art ein
Gendiagnostiktest unter den Nachkommen durchgeführt werden.
Diejenigen Nachkommen werden ausgewählt, welche den Genabschnitt
mit gewünschtem Merkmal tragen. Die grün umrandete Pflanze enthält
Merkmale A, B, C aus rotem Elternteil und D aus blauem Elternteil.
Diese gendiagnostische Analyse kann den Züchtungsprozeß um Jahre
beschleunigen.
Was hat das alles jetzt mit der Grundlagenforschung zu tun? Im Labor
machen wir eigentlich das gleiche wie die Züchter, wir mutieren Gene,
stellen transgene Pflanzen her und kreuzen mit Wildpflanzen, mit dem
Unterschied, daß wir keine Kulturpflanzen nehmen, sondern sehr häufig
Modellpflanzen. Wir züchten also unsere eigenen Laborlinien.
Modellpflanzen sind Pflanzen, die besonders leicht bearbeitet werden
können. Die best untersuchte Pflanze überhaupt ist Arabidopsis. Wir
haben nicht nur die vollständige Sequenz in einer Datenbank, sondern
auch viele andere Informationen in Datenbanken und gesammeltes (im
Labor fürs Labor gezüchtetes) Samenmaterial in Arabidopsis
Genbanken.
Überblick über die Gene in Mais, eine unserer wichtigsten
Kulturpflanzen.
Mais hat etwa 40.000 Gene.
Transposons und Retrotransposons sind instabile Gene oder Teile von
Genen, die sich auf den Chromosomen der Pflanzen selbst vermehrt
haben und ihre Position dort weiter verändern können.