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Grüne Gentechnik

 

Als Grüne Gentechnik, wird der Bereich der Biotechnologie bezeichnet, der sich mit der genetischen Veränderung von Pflanzen beschäftigt. Dabei werden fremde Gene in Pflanzenzellen eingeschleust mit dem Ziel, Genprodukte meist Proteine zu erzeugen. Je nach ingeschleustem Gen sind die Anwendungsmöglichkeiten vielfältig und umfassen z.B. die Produktion pharmazeutischer Wirkstoffe, die Verbesserung der Sortenqualität oder auch der Versuch die Resistenz gegenüber Pathogenen zu steigern. In den letzten 10-15 Jahren wurden wesentliche Fortschritte in Forschungsgebieten wie der Molekularbiologie oder Gewebekultur erzielt, die sich sehr positiv auf die Pflanzenbiotechnologie auswirkten.

 

Transformation von Pflanzen: Unter Transformation von Pflanzen versteht man die Einschleusung fremder Gene in das Genom von Pflanzen. Entwickelt haben es Arten aus der Gattung Agrobacterium. Der Mensch hat das Prinzip nur kopiert und für seine Zwecke verändert. Unter natürlichen Bedingungen gelangen die Bakterien über Verwundungen in die Pflanze. Sie werden von Substanzen angelockt die bei der Wundreaktion abgesondert werden. Diese Substanzen aktivieren Gene, die einen Mechanismus in Gang setzen der bakterielle DNA in die Pflanzenzelle einschleust. Die DNA wandert in den Zellkern und wird dort stabil ins Genom integriert. Jede Zelle, die durch Teilung aus einer solchen transformierten Zelle hervorgeht trägt die fremde DNA und vererbt sie weiter an ihre Nachkommen. Die Gene, die für die Übertragung der DNA in die Pflanzenzelle verantwortlich sind sitzen auf dem Ti-Plasmid. Das Plasmid ist mittlerweile sequenziert und die Funktion der Gene bekannt. Man hat das Ti-Plasmid gentechnisch so verändert, dass nur noch Elemente vorhanden sind die für die Übertragung der bakteriellen DNA in die pflanzliche Zelle benötigt werden. Elemente für die Integration bzw. Selektion transformierter Pflanzenzellen befinden sich auf einem anderen Plasmid auf dem sich auch das "fremde-Gen" befindet das man in die Zelle einschleusen möchte. In der Natur ist der Wirtpflanzenkreis von Agrobakterien begrenzt. Experimentell lässt sich jedoch eine Vielzahl von "Nicht-Wirtspflanzen" infizieren und eröffnet die Möglichkeit auch monokotyle Pflanzen zu transformieren.

 

Prinzip der Agrobakterien-vermittelten Pflanzentransformation:

 

hypothetisches Gen für rote Blätter

 

1) Ein beliebiges Fragment (hier ein hypothetisches Gen für rote Blätter) wird in einen Vektor eingefügt (ligiert) der aus einer Reihe von Genen zusammengesetzt ist, u.a. Gene zur Replikation in Bakterien, Gene zur Selektion (z.B. Antibiotikaresistenzen), Domänen zur Integration ins Pflanzengenom und Promotorsequenzen, die die Proteinexpression kontrollieren.

 

Fusionsprodukt

 

2) Das Fusionsprodukt wird durch Hitzeschock oder Elektrotransformation in Agrobakterien transformiert. Transformierte Bakterien können über eine Antibiotikaresistenz von den nicht transformierten Bakterien selektiert werden.

 

Blattstücke

 

3) Blattstücke werden in eine Bakterienlösung getaucht in der sich rekombinante Agrobakterien befinden. Von den Wundränder ausgeschiedene Substanzen locken die Bakterien an. Um die Effizienz der DNA Übertragung zu erhöhen werden die Bakterien bereits in der Nährlösung präkonditionierende Stoffen ausgesetzt (Acetosyringon).

 

Plasmid

 

4) Die Bakterien übertragen nun Teile der DNA die sich auf dem eingebrachten Plasmid befinden. Im allgemeinen sind das Bereiche, die für die Integration ins Pflanzengenom verantwortlich sind (die sog. left and right border), Selektionsmarker (z.B. Herbizid- oder Antibiotikaresistenz), Promotorsequenzen und das gewünschte Gen. Die fremde DNA wird dann stabil ins Pflanzengenom integriert.

 

Blattstücke

 

5) Die Blattstücke werden auf Nährmedium gelegt welches Antibiotika oder Herbizide enthält, so dass nur transformierte Pflanzenzellen sich vermehren können.

 

Zugabe von Pflanzenhormonen

 

6) Durch Zugabe von Pflanzenhormonen entsteht aus undifferenzierten Pflanzenzellen Sprosse die später zu ganzen Pflanzen regeneriert werden können. Jede Zelle dieser Pflanze enthält die genetische Information der eingebrachten DANN

 

Gentechnik - Ein alternativer Ansatz zur Feuerbrandbekämpfung: Apfel- und Birnensorten sind das Ergebnis jahrzehntelanger Züchtung und Selektion. Obstbauliche Eigenschaften, Ansprüche des Marktes und der Verbraucher waren dabei ausschlaggebenden Faktoren. Die Züchtung von Sorten mit hoher Krankheitsresistenz gegenüber einer Infektion, wie z.B. des Feuerbranderregers spielte dabei nur eine untergeordnete Rolle. Zur Zeit haben wir eine Situation in der recht wenige Sorten den Markt dominieren und diese anfällig bis hochanfällig für Feuerbrandinfektionen sind (Tabelle, s.u.).

 

Der klassische Ansatz Resistenzgene in Sorten oder Unterlagen einzubringen beruht auf der Kreuzung mit Sorten die eine höhere Resistenz gegen eine bestimmtes Pathogen besitzen. Viele Merkmale werden jedoch polygen (durch mehrere Gene) vererbt. Daher sind Kreuzungen aufwendig und die Eigenschaften der Nachkommen nur bedingt vorhersagbar. Zwar bedient sich die klassische Züchtungsforschung auch molekularbiologischer Methoden um die Vererbung bestimmter Markergene zu verfolgen, aber es ist abzusehen, dass noch Jahre vergehen bis neue Sorten oder Unterlagen mit erhöhter Feuerbrandresistenz und marktfähigen Eigenschaften aus diesen Züchtungsprogrammen hervorgehen. Die "Grüne Gentechnik" bietet hier eine Alternative. Sie versucht gezielt Gene ins Erbgut bereits vorhandener Sorten einzuschleusen. Kandidaten dafür sind z.B. Gene, die für Proteine oder Peptide kodieren und eine negative Wirkung auf den Feuerbranderreger haben. Diese Strategie besitzt zwei wesentliche Vorteile gegenüber der klassischen Züchtung. Zum einen werden obstbaulichen Eigenschaften etablierter Sorten bzw. Unterlagen nicht verändert und zum anderen entfällt die Nachzucht über Samen, da transgene Pflanzen vegetativ vermehrt werden.

 

Tabelle: Zusammenstellung wichtiger Apfelsorten und Unterlagen sowie ihrer Resistenz gegen Feuerbrandinfektionen.

 

Anfälligkeit*

Sorte

Hochanfällig

Anfällig

Widerstandsfähig

Braeburn

x

 

 

Fuji

x

 

 

Gala

x

 

 

Idared

x

 

 

Jonagold

x

 

 

Jonathan

x

 

 

Golden Delicious

 

x

 

Granny Smith

 

x

 

McIntosh

 

x

 

Gloster

 

x

 

Red Delicious

 

 

x

 

Anfälligkeit

Unterlage

Hochanfällig

Anfällig

Widerstandsfähig

M.9

x

 

 

M.26

x

 

 

MM.106

 

x

 

M.7

 

 

x

* Die relative Anfälligkeit unterliegt Schwankungen und wird z.B. durch den physiologischen Zustand der Pflanze beeinflusst.

 

Steigerung der Feuerbrandresistenz durch biotechnologische Verfahren: Die Möglichkeiten den Feuerbranderreger zu bekämpfen sind begrenzt. Phytosanitäre Maßnahmen und die Ausbringung chemischer Substanzen gewährleisten im Zusammenspiel die wirksamste Bekämpfung. Allerdings können auch sie nicht verhindern, dass es unter bestimmten klimatischen Bedingungen zu einer epidemieartigen Infektion von Apfel- und Birnenanlagen kommt. Resistente Sorten und Unterlagen sind im Moment nicht verfügbar oder erfüllen nicht die Kriterien des Markts. Es ist auch nicht abzusehen wann solche Züchtungen verfügbar sein werden. Die Biotechnologie bietet hier eine Alternative. In den letzten Jahren wurden eine Vielzahl natürlicher Substanzen, meist Proteine oder Peptide, identifiziert die antibakterielle Eigenschaften besitzen. Seit längerem wird mit Lysozymen aus Hühnereiweiß oder T4-Phagen experimentiert, die bakterielle Zellwände abbauen. In die Sorten ‘Galaxy’ und ‘Pinova’ wurden Lysozymgene eingeschleust und erste Ergebnisse deuten auf eine geringere Infektion des Feuerbranderregers im Vergleich zur nicht transformierten Kontrollpflanze.

 

Eine weitere Gruppe antibakterieller Proteine, die sogenannten Attacine und Cecropine findet man in Puppen der Schmetterlingsraupe Hyalophora cecropia. Diese kleinen Proteine beeinflussen die Permeabilität bakterieller Zellmembranen und die Bildung von Membranproteinen. Die Wirksamkeit dieser Proteine ist stark abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung und auch sehr unterschiedlich auf verschiedene Bakterienarten. Die Sorte ‘Royal Gala’ und die Unterlage M7 wurden mit Cecropingenen transformiert und auch hier wurde eine Resistenzsteigerung gegenüber Kontrollpflanzen festgestellt. Die meisten dieser antibakteriellen Substanzen üben in höheren Konzentration auch negative Effekte auf eukaryontische Zellmembranen aus. Es muss daher untersucht werden ob diese Proteine für die menschliche oder tierische Ernährung unbedenklich sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass transgene Pflanzen die antibakterielle Proteine/Peptide bilden eine erhöhte Feuerbrandresistenz besitzen. Es bleibt abzuwarten wie solche Pflanzen unter Freilandbedingungen reagieren.

 

weiterführende Literatur zum Thema:

  1. Aldwinckle, H.S., Norelli, J.L., Mills, J.Z. and Brown, S.K. 1996. Transformation of Gala apple with lytic protein genes. Acta Horticulturae 411: 411.
  2. Axen, A., Carlsson, A., Engström, Å. and Bennich, H. 1997. Gloverin an antibacterial protein from the immune hemolymph of Hyalophora pupae. European Journal of Biochemistry 247: 614-619.
  3. Bolar, J.P., Brown, S.K., Norelli, J.L. and Aldwinckle, H.S. 1998. Factors affecting the transformation of 'Marshall McIntosh' apple by Agrobacterium tumefaciens. Plant Cell Tissue and Organ Culture 55: 31-38.
  4. Carlsson, A., Engström, P., Palva, E.T. and Bennich, H. 1991. Attacin an antibacterial protein from Hyalophora cecropia inhibits synthesis of outer membrane proteins in Escherichia coli by interfering with omp gene transcription. Infection and Immunity 59: 3040-3045.
  5. De Vries, J., Harms, K., Broer, I., Kriete, G., Mahn, A., Düring, K. and Wackernagel, W. 1999. The bacteriolytic activity in transgenic potatoes expressing a chimeric T4 lysozyme gene and the effect of T4 lysozyme on soil- and phytopathogenic bacteria. Systematic and. Applied Microbiology 22: 280-286.
  6. Düring, K., Porsch, P., Fladung, M. and Lörz, H. 1993. Transgenic potato plants resistant to the phytopathogenic bacteria Erwinia carotovora. Plant Journal 3: 587-698.
  7. Engström, P., Carlsson, A., Engström, A., Tao, Z.-J. and Bennich, H. 1984. The antibacterial effects of attacins from the silk moth Hyalophora cecropia is directed against the outer membrane of Escherichia coli. EMBO Journal 3: 3347-3351.
  8. Gittins, J.R., Pellny, T.K., Hiles, E.R., Rosa, C., Biricolti, S. and James, D.J. 2000. Transgene expression driven by heterologous ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase small-subunit gene promoters in the vegetative tissues of apple (Malus pumila Mill.). Planta 210: 232-240.
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  10. Jaynes, J.M., Nagpala, P., DestefanoBeltran, L., Huang, H.J., Kim, J., Denny, T. and Cetiner, S. 1993. Expression of a Cecropin B lytic peptide analog in transgenic tobacco confers enhanced resistance to bacterial wilt caused by Pseudomonas solanacearum. Plant Science 89: 43-53.
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  12. Norelli, J.L., Jensen, L.A., Momol, M.T., Mills, J.Z., Aldwinckle, H.S. and Cummins, J.M. 1996. Increasing the resistance of apple rootstocks to fire blight by genetic engineering: a progress report. Acta Horticulturae 411: 409.
  13. Norelli, J.L., Mills, J.Z., Jensen, L.A., Momol, M.T., Ko, K. and Aldwinckle, H.S. 1998. Genetic engineering of apple for increased resistance to fire blight. Acta Horticulturae 484: 541-546.
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