Transgene Pflanzen
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Transgene Pflanzen Anna Junker Caroline Schomburg Martina Mumm Martina Singe Anja Skibiniewsky Übersicht • • • • • 1. Allgemeines 2. Bt-Mais 3. Soja 4. Raps 5. Pro und Contra Definitionen - Transgen • • • Mittels gentechnischen Verfahren in das Erbgut eines Organismus eingebrachtes Gen transgen: gentechnisch verändert Beispiele • • • transgene Pflanze transgenes Tier transgene Mikroorganismen Definitionen – Transgene Pflanze • Pflanze, in die ein Gen einer anderen Spezies eingebracht wurde • Übertragung des Gens in Form eines geeigneten Genkonstrukts durch Rekombinationstechniken • Unterschied zur klassischen Züchtungstechnik: – Keine Begrenzung auf eine bestimmte Art Definitionen - Genkonstrukt • Die für die Übertragung und Ausprägung eines Zielgens notwendige funktionale Einheit • Zusammengesetzt aus Zielgen, Promotor, Terminator, anderen Sequenzen (z.B. Markergene) Definitionen - Gentechnologie • Verfahren, bei dem gezielt in das Erbgut bzw. in biochemische Steuerungsvorgänge von Lebewesen und viraler Genome eingegriffen wird • beruht auf Kenntnissen der Molekularbiologie Anwendung der Gentechnologie Gentechnologie Grüne Gentechnologie Rote Gentechnologie Graue/ Weiße Gentechnologie Grüne Gentechnologie • Verwendung genetischer Verfahren bei der Züchtung von Pflanzen • Nutzung der gentechnisch veränderten Pflanzen in der Lebensmittelindustrie und Landwirtschaft Rote Gentechnologie • Nutzung in der Medizin und Pharmazie zur Entwicklung von Diagnoseverfahen,Therapiemöglichkeiten und Arzneimitteln angewendet Graue/Weiße Gentechnologie • Anwendung gentechnisch veränderter Mikroorganismen • → Herstellung von Enzymen und Feinchemikalien – In der Industrie – In der Mikrobiologie – In der Umweltschutztechnik Verwendete Organismen • • • • Pilze Bakterien Algen Tierische Zellen Natürlicher Mechanismus zur Veränderung von Pflanzen • Restriktionsenzyme schneiden durch natürlichen Mechanismus Fremd-DNA in kleine Stücke • Entweder Ausschaltung der Genfunktion der fremden DNA • Oder Aufnahme der kurzen DNA-Stücke in das eigene Genom Gentechnischer Einbau eines Gens in eine Pflanze • Ausschneiden des Gens durch Restriktionsenzyme • Einbau des Gens in einem Vektor mittels Ligasen – Vektor = DNA-Abschnitte aus einem Bakterium Nutzung zur Einschleusung des Gens in die Zelle und zur Vervielfältigung des Gens Geschichte • 1973 • 1980 Erzeugung des 1. gentechnisch veränderten rekombinanten Bakteriums Agrobakterium tumefaciens wird entdeckt » Eigenet sich zur gezielten Einbringung von Genen in Pflanzen • 1982 gentechnisch hergestelltes Insulin kommt in den USA auf den Markt Geschichte • 1985: • 1986: • 1993: • 1994: • 1995: • Heute: erste Freilandversuche in den USA USA: gentechnisch veränderter Tabak darf erstmals angebaut werden Freilandversuche mit gentechnisch veränderten Zuckerrüben in Deutschland Verkauf gentechnisch veränderter Tomaten in den USA und in Großbritannien Freilandversuche mit herbizidresistenten Pflanzen in der BRD > 200 gentechnisch Veränderte Nutzpflanzen weltweit zugelassen Weltweiter Anbau transgener Pflanzen Mio Ha Jahr Anbaugebiete % 70 60 50 40 30 20 10 0 USA Argentinien Kanada China sonstige Gesetzliche Regelungen • Meldepflicht – Anmeldung des geplanten Anbaus 3 Monate im voraus • Aufzeichnungspflicht – Pflicht zur Dokumentation darüber, welche Sorte an welchem Ort mit welchen Methoden angebaut wird • Vorsorgepflicht – Trennstreifen (20m) zwischen Anbauflächen – Gründliche Reinigung verwendeter Geräte zur Verhinderung von möglichen Vermischungen Pflanzenbeispiele und deren Hauptanbaugebiete • • Sojabohnen • USA • Brasilien • Argentienien • Südafrika • Rumänien • Uruguay • Mexico Mais • USA • Argentinien • Kanada • Südafrika • Uruguay • Spanien • Philippinen • Bulgarien • Kolumbien • Deutschland • Baumwolle • USA • China • Südafrika • Australien • Indien • Mexiko • Indonesien • Raps • USA • Kanada Ziele • Veränderte Produktqualität der Pflanzen – – – – – Zusammensetzung der Inhaltsstoffe verändert (Soja, Mais) Verzögerte Fruchtreife (Tomate, Melone) Entfernung unerwünschter Inhaltsstoffe (Tabak ohne Nikotin) Produktion von Arzneimittelwirkstoffen Optimierung der Pflanze in Bezug auf deren Standort • Veränderung der agronomischen Eigenschaften der Pflanze – z.B. Resistenz der Pflanze gegen bestimmte Krankheiten, Insekten, Pilze und Herbizide – Sterilität (Raps) • Erzeugung von bestimmten Pflanzen zur erleichterten Herstellung von Arzneimitteln und Rohstoffen Virusresistenz (z.B. Zuckerrübe) • Wurzelbärtigkeit: Viruserkrankung, bei der die befallenen Rüben sehr klein bleiben und lange Wurzelbärte haben • Übertragung über Bodenpilz Polymyxa betae • Minderbetrag der Landwirte von bis zu 50% Promblemlösung: • Einschleusung eines Genes welches für ein Hüllenprotein des Virus in die Pflanze • Verhinderung der Verbreitung des Virus durch „Vortäuschen“ einer bereits aufgetretenen Infektion Virusresistenz (z.B. Zuckerrübe) Insektenresistenz • Insektizide sind große Belastung für Grundwasser und Flüsse • Ziel ist Menge an Insektiziden zu verringern • Bacillus thuringiensis stellt Insekten-Gift (BtToxin) her • Gen zur Herstellung des Giftes aus Bakterium isoliert • Übertragung auf Pflanze (Kartoffel, Mais, …) Herbizidresistenz • Glufosinat = unselektives Herbizid • Blockiert lebenswichtiges Enzym Glutaminsynthetase in der Pflanze • Stickstoff-Stoffwechsel unterdrückt • Gebildet von Streptomyces (Bodenpilz-Art) • Enthalten zum Selbstschutz PAT-Enzym → Umwandlung des Glufosinats in biologisch unwirksame Form • Übertragung des PAT-Enzyms in Pflanzen (Mais, Raps, Sojabohnen, Zuckerrüben, Tomaten etc.) • Nutzpflanzen resistent gegen das Herbizid während konkurrierende Unkräuter absterben Gentransfer Verschiedene Methoden 2 Hauptgruppen ⇓ ⇓ DIREKT INDIREKT → bei Monokotylen Pflanzen ist indirekter Gentransfer nicht möglich Direkte Methode Das Gen wird unmittelbar in die Zelle eingeschleust Genkanone Elektroporation Mikroinjektion PEG-Fusion Genkanone Genkanone Biolistik Pflanzenzelle wird mit Mikroprojektilen beschossen, die mit Fremd-DNA beschichtet sind Projektile aus Gold oder Wolfram Genkanone Elektroporation • Fremd-DNA wird durch das Anlegen eines kurzzeitigen, hohen elektrischen Impulses direkt in Protoplasten eingeschleust Protoplasten und DNA-Lösung werden in eine Elektrolytlösung gebracht. Durch den Aufbau einer elektrischen Spannung wird die Permeabilität der Zellmembran kurzzeitig stark erhöht, so dass die Aufnahme von Fremd-DANN möglich wird Elektroporation Kartoffel-Protoplast nach Elektroporation : Im Zellkern sind die eingeführten Oligonukleotide durch den RhodaminFarbstoff zu erkennen. (Aufnahme ca. 30 min nach der Transformation) Nachteil • Die Integration der zugesetzten DNA ins Genom erfolgt zufällig, die Ausbeute stabiler Verbindungen ist relativ gering. Mikroinjektion • Anwendung weniger Piezoimpulse kann den Durchtritt durch die Membran erleichtern. • Gene aus fremden Organismen können nicht unmodifiziert injiziert werden.Deshalb muß das Transgen zusätzlich einen speziellen Promotor enthalten. Weiterhin muß nach dem Strukturgen zur Terminierung eine PolyA-Sequenz intergriert sein, um die Transkription zu beenden. PEG-Fusion Zellwände werden mittels Cellulasen entfernt PEG, DNA und Ca2+ hinzugefügt Osmotischer Schutz: Saccharose PEG ist ein starkes Detergenz und bewirkt eine Durchlässigkeitszunahme der Zellmembran Bt-Mais Geschichte • Seit mehr als hundert Jahren ist bekannt, dass bestimmte Bodenbakterien eine toxische Wirkung auf bestimmte Insekten haben • 1938 kam das erste kommerzielle Bt-Präparat als Pflanzenschutzmittel auf den Markt • In Deutschland bekam 1964 das erste BtPräparat seine Zulassung als Pflanzenschutzmittel Bt-Toxin als Pflanzenschutz • Pflanzenschutzmittel auf Bt-Toxin Basis bestehen aus getrockneten Bakteriensporen und dem kristallinem Toxin • Sie finden vorallem im ökologischem Landbau Verwendung hier 90% aller Schädlingsbekämpfungsmittel! Zahlen&Fakten • 1995 die erste Bt-Pflanze, Mais, in den USA zugelassen • Heute wird Bt-Mais auf 14 Millionen Hektar in den USA angebaut • In der EU 2006 nenneswerter Anbau nur in Spanien mit 60000 Hektar • 2006 waren 19% der weltweit auf 102 Millionen Hektar angebauten gentechnisch veränderten Pflanzen insektenresistente Bt-Pflanzen Zahlen&Fakten • Seit Dezember 2005 in Deutschland verschiedene BtMaissorten zugelassen • In den östlichen Bundesländern 2006 ca. 1000 Hektar • Für 2007 AnbauStandorte mit Gesamtfläche 3700 Hektar angemeldet Bt-Toxin • Für Fraßinsekten giftiges Protein, das vom Bodenbakterium Bacillus thuringiensis gebildet wird • Ca. 170 verschiedene BtToxine bekannt Bt-Toxin • • Wirkspektrum auf drei Insektengruppen beschränkt: -Schmetterlinge, Blattkäfer, Zweiflügler Einteilung der Toxine nach ihrem Wirtsspektrum, Übereinstimmug ihrer Gensequenzen und ihrer Molekülgrößen Hauptklassen der Toxine • 1. 2. 3. 4. 5. 5 Hauptklassen (cry=crystal): CryI: wirkt spezifisch gegen Schmetterlinge CryII: Schmetterlinge und Zweiflügler CryIII: Käfer CryIV: Zweiflügler CryV: Käfer und Schmetterlinge Wirkmechanismus Bt-Maispflanzen • Erste kommerziell angebaute Bt-Maispflanzen enthielten in allen Pflanzenteilen hohe BtToxinmengen • Neuere Bt-Maissorten produzieren geringere Toxinmengen und diese auch nur im Stängel Bt-Toxine werden mit gewebespezifischen Promotoren versehen Maiszünsler • Kleinschmetterling, dessen Larven zuerst an den Maisblättern fressen und sich später in den Stängel oder den Kolben bohren • Wirtschaftlich bedeutendster Maisschädling in Deutschland Zentrale Diskussionspunkte 1. Wirkt das Bt-Toxin tatsächlich nur gegen den Zielorganismus oder werden auch andere Tiere geschädigt? 2. Gibt es eine Resistenzentwickl ung und wird diese durch den großflächigen Anbau beschleunigt? Wirkung auf Nichtzielorganismen • http://www.biosicherheit.de/de/mais/# Fazit • DNA des Bt-Mais wurde im Magen-Darm-Trakt der Rinder abgebaut • Es konnte kein Bt-Gen nachgewiesen werden • Es war kein horizontaler Gentransfer von pflanzlicher DNA auf Bakterien der Rindes nachweisbar • Es wurde kein Unterschied zwischen der Zusammensetzung der Bakterienpopulatuion des Rinderpansen zwischen isogen und transgen gefüttereten Tieren gefunden Umweltwirkung des Bt-Gens • http://www.biosicherheit.de/de/mais/# Fazit • Bei den meisten untersuchten Parametern wurde kein Unterschied zwischen Bt-Maisanbau und konventionellem Maisanbau gefunden • Aufgrund vereinzelt festgestellter Bt-Effeke auf einzelne Nützlingsgruppen sowie auf Schmetterlingslarven wird eine Langzeituntersuchung und eine Risikoanalyse empfohlen Resistenzentwicklung • Untersuchung zur frühzeitigen Entdeckung einer Resistenzentwicklung des Maiszünslers und zur Aufklärung der Resistenzmechanisme n • 2001-2004 Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft Versuch • Sammlung von überlebenden Maiszünslerlarven in BtMaisfeldern • Testung der Nachkommen auf gesteigertes Erkennungsvermögen von Bt-Toxin • Experimentelle Provokation von Resistenzen im Labor Fazit • eine überlebende Larve muss nicht in jedem Fall resistent sein Laut Firmenangaben enthalten bis zu 2% der Pflanzen kein Toxin Es wurden keine resistenten Tiere gefunden Auskreuzung • Durch Pollenflug kreuzt transgener Mais auf benachbarte Flächen mit nicht-transgenen Maispflanzen aus. Unter praxisüblichen Bedingungen des großflächigen Anbaus wurden folgende Fragen untersucht: – In welchem Maß nimmt die Auskreuzungshäufigkeit mit der Entfernung ab? – Welchen Einfluss hat die vorherrschende Windrichtung auf die Auskreuzung? Auskreuzung • Bei den Messungen im Jahr 2000 wurde eine mit zunehmender Entfernung starke Abnahme der Auskreuzung festgestellt • In Windrichtung ist die Auskreuzung fast doppelt so hoch wie gegen den Wind Auskreuzung Verwendung von Mais als.... • • • • • • • • • • Popcorn Maisgriess(Polenta) Tortillachips Tacos Maiskeimöl Cornflakes Knabbergebäck Dextropur Maisstärke Тierfutter(Silomais) Soja - Hauptanbaugebiete • • • • USA (38%) Brasilien (25%) Argentinien (19%) China (7%) • Weltweit 226,8 Millionen Tonnen Sojabohnen geerntet (2006) gv Soja - Hauptanbaugebiete gv Soja - Hauptanbaugebiete Kennzeichnungspflicht • Kennzeichnungen gesetzlich vorgeschrieben bei Lebensmitteln und Zutaten, die GVO sind oder daraus hergestellt wurden • Kennzeichnungspflicht nur ab einem GVO Anteil von 0,9% • keine Kennzeichnung von tierischen Produkten, bei denen die Tiere mit GVO gefüttert wurden Sojaprodukte • Fette und Öle • Lecithine und andere Emulgatoren • Vitamin E • Sojamehl • Sojasaucen • Fleisch- und Milchersatz • Tierfutter Nachweisbarkeit von GVO im Endprodukt • • • • • • • • Fette und Öle Lecithine Vitamin E Sojamehl Gebäck mit Sojamehl Sojasauce Tofu etc mit Soja gefütterte Tiere nein zum Teil zum Teil ja nein nein ja nein Herbizidtoleranz gegen Glyphosphat (Round up®) Agrobacterium tumefaciens • Phytopathogenes Bodenbakterium • Ti- Plasmid (Tumorinduzierend) • Plasmid kann auf Pflanzen übertragen werden und löst dort Wurzelhalsgallen krankheit aus Gentransfer in die Sojabohne Weitere Genveränderungen der Sojabohne • Anreicherung der AS Methionin • veränderte FS Zusammensetzung • System zur Produktion von Arzneimitteln (bisher nur experimentell) • Toleranz gegen Trockenheit und Salz Raps-Allgemein • Anbau weltweit in wintermilden Gebieten der gemäßigten Klimaregionen • Rapsanbau früher nicht attraktiv wegen des Gehaltes an Erucasäure und Glucosinolaten • Züchtung von 0-Raps und 00-Raps • Rapsöl, als Speiseöl und v.a. in Margarine • Futtermittel, Rapshonig Raps-Genetik • Brassica napus: amphidiploide Hybride • Aus einer Bastarddisierung von Brassica rapa (Rübsen) und Brassica oleracea hervorgegangen • Genom besteht aus 19 Chromosomen und setzt sich aus 10 bzw. 9 Chromosomen der beiden Ausgangsformen zusammen Entwicklungsziele in der Gentechnik • Veränderte Pflanzenentwicklung: • männliche Sterilität zur Erleichterung der Züchtung von Hybridsorten • Veränderte Produkteigenschaften: • z.B. Veränderung in der FS-Zusammensetzung, Anreicherung mit Beta-Carotin • Herbizidtoleranz • Resistenz gegen Krankheitserreger und Schädlinge • Anpassung an Standortfaktoren (Stresstoleranz) Raps MS8, RF3 und MS8xRF3 • Ausgangslinien MS8, RF3 sowie deren Nachkommen MS8 x RF3 im März 2007 von der EU-Kommission zugelassen • Einfuhr von Samen aus gentechnisch verändertem Raps sowie Verwertung als Futtermittel und zu industriellen Zwecken • Anbau in der EU nicht erlaubt • Speiseöle aus diesen gv-Rapslinien bereits zugelassen Raps MS8, RF3 und MS8xRF3 • MS8 x RF3 ist ein Hybrid aus den Rapspflanzen MS8 und RF3 • MS8 besitzt eine gentechnisch vermittelte Sterilität • das Hybrid besitzt eine Resistenz gegen Herbizide mit dem Wirkstoff Glufosinat Eingeführte Gene in MS8 • barnase Gen aus Bacillus amyloliquefaciens • Funktion: Produktion für ein bestimmtes Enzym (Ribonuklease), das eine männliche Sterilität vermittelt • bar-Gen aus Bodenpilz Streptomyces hygroscopius • produziert das Enzym PhosphinothricinAcetylferase (PAT), was der der Pflanze eine Resistenz gegen Glufosinat verleiht Eingeführte Gene in RF3 • barstar-Gen aus Bacillus amyloliquefaciens • Produktion eines RibonukleaseHemmstoffes, das die männliche Sterilität aufhebt, damit fertile Nachkommen entstehen • bar-Gen Raps MS1xRF1, MS1xRF2, TOPAS 19/2 • Ende der 90er zugelassen worden • MS1xRF1, MS1xRF2 zum Anbau und Gewinnung von Hybrid-Saatgut sowie als Speiseöl und Futtermittel verwendet • TOPAS 19/2 als Raffiniertes Öl, Lebensmittelzusatzstoffe, Futtermittel, -zusätze • Vermarktungserlaubnis im April 2007 abgelaufen • gv-Pflanzen entsprechen nicht dem neusten Stand Pro • Pflanze nach Bedarf Amylose-freie Kartoffel (einfachere und kostengünstigere Stärkegewinnung) Transgene dürre- und salztolerante Pflanzen Arzneisoffgewinnung • Ertragsmaximierung Ausreichende Versorgung der Weltbevölkerung Lösung der Energieprobleme (Biomasse) • geringerer Pestizid- und Herbizideinsatz Entlastung der Umwelt Contra • unnatürlicher Eingriff in die Umwelt • Störung ökologischer Systeme • nicht abschätzbares Gefahrenpotential für den Menschen ??? Frage: Horizontaler Gentransfer • Eine Reihe von in den USA und Europa zugelassenen transgenen Pflanzen enthalten Gene, die für bestimmte Antibiotikaresistenz kodieren Diese Gene sind für die speziellen Eigenschaften der Pflanzen nicht von Bedeutung, jedoch sind sie in der transgenen Pflanze als „Konstruktionshilfe“ gelandet und verbleiben dort Transfer von Resistenzgenen von der Pflanzen DNA in die Bakterien des Darms Diskussion • natürliche Folge unseres Fortschritts • die Evolution braucht zu lange, die Menschheit wächst zu schnell • Bildung neuer Proteine mit erhöhtem Allergiepotential für den Menschen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!!!
