Neuer Ansatz kann die Vielfalt von Nutzpflanzenarten ohne Züchtung von GMOs erhöhen
Gentechnik bearbeitet jeden Chloroplasten in einer Pflanze, verändert aber nicht die Kern-DNA der Nachkommen
Die Züchtung besserer Nutzpflanzen durch Gentechnik ist seit Jahrzehnten möglich, aber der Einsatz gentechnisch veränderter Pflanzen wurde bisher durch technische Herausforderungen und populäre Kontroversen eingeschränkt. Ein neuer Ansatz löst potenziell beide Probleme, indem er die energieproduzierenden Teile der Pflanzenzellen modifiziert und dann das DNA-Editierwerkzeug entfernt, damit es nicht an zukünftige Samen vererbt werden kann. Die Technik wurde kürzlich durch Proof-of-Concept-Experimente demonstriert, die von Genetikern der Universität Tokio in der Zeitschrift Nature Plants veröffentlicht wurden.
Künstlerische Darstellung des Forschungsprojekts zur Editierung pflanzlicher Chloroplasten-DNA
Image by Hiroko Uchida CC BY-SA 4.0, http://uchidahiroko.com/works-s.html
"Jetzt haben wir eine Möglichkeit, Chloroplasten-Gene gezielt zu modifizieren und ihr Potenzial für eine gute Pflanze zu messen", sagte Associate Professor Shin-ichi Arimura, der die Gruppe leitet, die die Forschung durchgeführt hat.
Chloroplasten, die Teile der Pflanzenzellen, die Kohlendioxid und Sonnenlicht in Zucker umwandeln, besitzen ihre eigene zirkuläre DNA, die aus dem gleichen ATGC-Code besteht wie die Doppelhelix-DNA im Zellkern. Allerdings wird die Chloroplasten-DNA völlig getrennt von der Kern-DNA gepflegt und vererbt. Jede Zelle kann mehrere Chloroplasten enthalten, die jeweils viele identische Kopien der Chloroplasten-DNA besitzen. In jeder Kopie der Chloroplasten-DNA muss die gleiche Veränderung vorgenommen werden, wenn eine Genom-Editierung einen spürbaren Effekt haben soll, der an die Nachkommen der Pflanze vererbt werden kann.
In den 1990er Jahren erfanden Experten eine Technik, mit der neue DNA-Fragmente in das Chloroplasten-Genom eingefügt werden können, die aber auch zusätzliche genetische Markierungen oder Tags einfügt.
Das Ziel von Arimura und seinen Kollegen ist es, einheitliche, vererbbare Modifikationen an nur bestimmten Teilen der Chloroplasten-DNA vorzunehmen, ohne Genom-Editing-Werkzeuge zu hinterlassen oder die Kern-DNA dauerhaft zu verändern. Sie begannen mit einem bereits existierenden Werkzeug, den sogenannten TALENs. Die ursprünglichen TALENs verwenden ein großes Protein, das spezifische kurze DNA-Sequenzen erkennt und diese DNA mit einem Enzym schneidet. In den letzten Jahren haben andere Forschergruppen die TALEN-Technologie verbessert: Die DNA-Erkennungssequenzen können angepasst werden und das DNA-Schneideenzym kann durch ein Enzym ersetzt werden, das GC-Paare im DNA-Code in AT-Paare umwandelt.
Diese GC-zu-AT-Änderungen sind subtil - sie ändern nur einen Punkt des DNA-Codes in einen anderen, anstatt ganze Gene einzufügen oder zu löschen. Punktmutationen können jedoch große Auswirkungen haben, abhängig von ihrer Position.
Arimuras Team kombinierte diese TALEN-Verbesserungen und fügte eine zusätzliche "Chloroplasten-Ziel"-Komponente hinzu und nannte ihre endgültige Version ptpTALECDs. Für jede Genom-Editierung, die die Forscher vornehmen wollten, mussten sie ein passendes linkes und rechtes Paar von ptpTALECDs in Bakterien bauen. Der Konstruktionsprozess ist kompliziert, weil die Paare der großen TALENs-Proteine und die Chloroplasten-Zielsignale gleichzeitig als eine Einheit von der Kern-DNA exprimiert werden müssen.
"Der Aufbau der ptpTALECDs war ein extrem mühsamer Prozess, aber wir haben einen sehr engagierten Masterstudenten, der fast die gesamte Arbeit geleistet hat, Issei Nakazato", sagt Arimura. Nakazato ist der Erstautor der Forschungspublikation.
Nachdem die Forscher die DNA-Sequenz von ptpTALECDs entworfen hatten, fügten sie sie in Arabidopsis thaliana-Pflanzen ein, eine in Forschungslabors verbreitete Ackerschmalwandart. Die UTokyo-Forscher sind zuversichtlich, dass die ptpTALECDs nach ihrem Bau in viele Pflanzenarten eingefügt werden können, da dieser Teil des Prozesses ein unkompliziertes und standardmäßiges Verfahren in landwirtschaftlichen und botanischen Labors ist.
Die ptpTALECDs gelangen in die Zellkerne der Pflanzen und dann produzieren die Zellen ptpTALECDs auf die gleiche Weise, wie sie jedes andere Protein produzieren. Die Chloroplasten-Targeting-Sequenz sorgt dafür, dass die fertigen ptpTALECD-Proteine aus dem Zellkern in die Chloroplasten geschleust werden, wo sie dann jedes Chloroplasten-Genom, auf das sie treffen, bearbeiten sollen.
Diese Pflanzen der ersten Generation werden als gentechnisch veränderte Organismen (GMOs) betrachtet, da ihre Kern-DNA dauerhaft verändert wurde, um die ptpTALECD-Sequenz zu enthalten.
Wenn sich diese gentechnisch veränderten Pflanzen mit sich selbst durch Selbstbefruchtung oder mit nicht veränderten (Wildtyp-)Pflanzen fortpflanzen, erbt die nächste Pflanzengeneration die Kern-DNA auf normale Weise, d. h. die Gene werden zwischen den Eizellen und Pollen vermischt und angepasst. Einige Samen erben die ptpTALECD-Sequenz und andere Samen nicht.
Allerdings erben Pflanzen ihre Chloroplasten immer ganz und intakt durch ihre "Mütter", die Eizellen. Unabhängig davon, welche Kern-DNA die nächste Generation von Pflanzen erbt, wenn ihre weibliche Mutterpflanze modifizierte Chloroplasten hatte, wird die nächste Generation immer modifizierte Chloroplasten erben.
Die Forscher suchen dann die Nachkommenschaft nach Pflanzen ab, die keine veränderte Kern-DNA, aber veränderte Chloroplasten geerbt haben. Diese Mitglieder der zweiten Pflanzengeneration und alle ihre zukünftigen Nachkommen können als Nicht-GVO-Endprodukte betrachtet werden, da ihre Kern-DNA keine der gentechnischen Maschinerie der ptpTALECDs enthält.
Die rechtlichen Definitionen variieren, aber im Großen und Ganzen bewerten die Länder entweder das Endprodukt oder den Prozess, wenn sie entscheiden, einen Organismus als GVO zu kennzeichnen. Nach den Endprodukt-Definitionen, die in Japan und den USA verwendet werden, sind Pflanzen, die mit dieser Technik hergestellt werden, keine GVOs. Die gleichen Pflanzen sind jedoch GVOs nach den prozessbasierten Definitionen, die in der Europäischen Union verwendet werden.
Bisher hat Arimuras Team bewiesen, dass ihr System funktioniert, indem es drei Chloroplasten-Gene editierte und die erwarteten Effekte in den Nachkommenpflanzen beobachtete.
"Die Chloroplasten-DNA kodiert weniger als 1% des gesamten genetischen Materials in einer Pflanze, aber sie hat einen sehr wichtigen Einfluss auf die Photosynthese und damit auf die Gesundheit der Pflanze. Hoffentlich wird diese Methode in der Grundlagenforschung und der angewandten Landwirtschaft nützlich sein", so Arimura.
Die Forscher sind optimistisch, dass die Tatsache, dass nichts von den gentechnischen Werkzeugen an künftige Generationen vererbt wird und die Methode nur Punktmutationen vornimmt, dafür sorgen wird, dass die Methode zur Züchtung besserer Nutzpflanzen eingesetzt wird, die von Landwirten und Verbrauchern akzeptiert werden.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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