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Blick ins Grüne - Pflanzengenomforschung

Die Erforschung des Pflanzengenoms offenbart grundsätzliche Mechanismen, die teilweise auch für Tier und Mensch gelten. Außerdem liefert sie Impulse für die Anwendung, speziell zur Verbesserung von Nahrungs-, Futter- und Energiepflanzen. Dabei dreht sich längst nicht alles um transgene Pflanzen.

Schon seit vielen Jahrtausenden nutzen Züchter das genetische Potenzial der Pflanzen. Für den Menschen vorteilhafte Spontanmutationen wurden seit jeher selektiert und mit Hilfe von Kreuzungen wurde genetisches Material unterschiedlicher Arten neu kombiniert. Auch ohne Kenntnis der molekularen Zusammenhänge waren diese Prozesse sehr erfolgreich, allerdings auch sehr langsam. So entstand aus einem unscheinbaren Süßgras in Mittelamerika in Laufe mehrerer Jahrtausende der neuzeitliche Mais und damit eines der wichtigsten Nahrungs- und Futtermittel der modernen Welt.

Gregor Mendel, Vater der Genetik © wikipedia.de

Die Ansprüche an eine schnelle Entwicklung ertragreicherer und besonders widerstandsfähiger Sorten stieg in der Neuzeit ebenso wie der Wissensdurst um die geheimnisvollen Vorgänge, die Veränderungen und Varianten in die Pflanzenwelt bringen. Die systematische Erforschung der Vererbung bestimmter Merkmale begann mit Gregor Mendel. Mitte des 19. Jahrhunderts kultivierte der Priester und Forscher geschätzte 28.000 Erbsenpflanzen, um den Gesetzmäßigkeiten der Vererbung auf die Spur zu kommen. Die Mendelschen Regeln - vormals Mendelschen Gesetze - bilden nach wie vor die Basis der Vererbungslehre. Der Grund für die Umbenennung war die Entdeckung von Transposons (springenden Genen) und Translokationen einzelner Gene. Beide Phänomene können die Mendelschen Regeln außer Kraft setzen, was ihre grundsätzliche Bedeutung jedoch nicht schmälert.

Molekularbiologie schafft Durchbrüche

Der modernen Molekulargenetik sind bahnbrechende Einblicke ins Pflanzengenom zu verdanken. Sie haben die Genomforschung allgemein und die Weiterentwicklung von Nutzpflanzen wesentlich vorangebracht. Das einjährige Kraut Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) war die erste höhere Pflanze, deren Genom komplett sequenziert wurde (2000, veröffentlicht in Nature). Es umfasst rund 25.500 Gene. 2002 folgten Sequenzen der beiden Reissorten Oryza sativa ssp. indica und Oryza sativa ssp. japonica (veröffentlicht in Science).

Die Blüte der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana gesehen durch ein Rasterelektronenmikroskop. © Jürgen Berger / Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Arabidopsis ist einfach zu kultivieren, wächst schnell und lässt sich für molekulargenetische Untersuchungen gut handhaben - das hat sie zu einer der weltweit am meisten verbreiteten Laborpflanze gemacht. Viele Entdeckungen, die Pflanzengenetiker zuerst an Arabidopsis machten, sind grundsätzlicher Natur und gelten nicht nur allgemein für Pflanzen, sondern sogar für das Tierreich. Ein Beispiel sind genetische Regulationsmechanismen, die durch RNA vermittelt werden.

Aus der Grundlagenforschung kommen wesentliche Impulse für die Anwendung der Pflanzengenomforschung. Speziell die funktionelle Genomforschung, also die Erforschung der biologischen Funktion von Pflanzengenen, steht dabei im Fokus. 2000 startete das BMBF gemeinsam mit mehr als 25 Unternehmen der Privatwirtschaft das Forschungsprogramm GABI, mit dem Nutzpflanzen „fit für die Zukunft" gemacht werden sollen. Es gibt einen Grundlagen- und einen anwendungsorientierten Forschungsbereich mit jeweils fünf Schwerpunkten, denen die einzelnen Projekte zugeordnet sind.

Forschungsprogramm GABI - Herausforderung Pflanzengenom

Die Pflanzengenomforschungsinitiative GABI wird gemeinsam vom BMBF und der Wirtschaft getragen und finanziert. Sie hat das Ziel, die wissenschaftliche Basis der Pflanzengenomforschung in Deutschland zu stärken, ein enges und dauerhaftes Netzwerk zwischen akademischer und industrieller Forschung zu knüpfen und mit Hilfe eines effizienten Wissens- und Technologietransfersystems die rasche Überführung der Forschungsergebnisse in die Praxis zu gewährleisten, um die beschleunigte Entwicklung von Produkten mit hohem Wertschöpfungspotential in den Bereichen Land- und Forstwirtschaft, Garten- und Zierpflanzenbau, Ernährung, Gesundheit, Pharmazie, Chemie und Umwelt zu ermöglichen.

Wichtige Ziele sind die Entwicklung ertragreicherer Sorten, Resistenzen gegen Krankheiten, Verbesserungen im Geschmack und bessere Lagerfähigkeit. Vorangetrieben wird auch die genomische Erforschung und Weiterentwicklung von Pflanzen, die medizinisch relevante Produkte oder für die Ernährung besonders wertvolle Stoffe (Vitamine, bestimmte Fettsäuren oder Kohlenhydrate) liefern. Es geht also nicht nur um eine rein mengenmäßige Ertragssteigerung, sondern auch um eine Mehrproduktion nützlicher Stoffe pro Pflanze.

Generell arbeiten an einem GABI-Projekt jeweils Wissenschaftler mit Züchtern und Fachleuten aus der Industrie zusammen. Ihnen steht inzwischen eine enorme Fülle an genomischen und phänotypischen Daten zur Verfügung, die nur noch mit professionellem Datenmanagement verwaltet und sinnvoll genutzt werden können. Die biometrischen und bioinformatorischen Werkzeuge dafür werden im Rahmen eines GABI-Projektes entwickelt, das an der Uni Hohenheim koordiniert wird. Der Beitrag „ Nichts dem Zufall überlassen - Forscher entwickeln Verfahren für eine wissensbasierte Pflanzenzüchtung" beschreibt die Hohenheimer Ansätze.

Neben Nahrungsmittelpflanzen rücken seit einigen Jahren auch Energiepflanzen immer mehr in den Fokus der Forscher und der Produzenten. Aus Rapssaat wird zum Beispiel Pflanzenöl-Kraftstoff und Biodiesel gewonnen, Mais kann ebenso wie diverse Getreide und Kartoffeln als Lieferant für Bioethanol genutzt werden. Die kommerzielle Genomforschung steht aber auch im Dienste der Schönheit. So arbeitet die Stuttgarter Ornamental Bioscience GmbH daran, Zierpflanzen wie Weihnachtsstern, Fleißige Lieschen und Geranien um neue attraktive Sorten zu bereichern. Dabei sind auch Resistenzen ein Thema, Ornamental Bioscience arbeitet an besonders widerstandsfähigen Pflanzen, denen Krankheitserreger, Trockenheit und Kälte weniger zusetzen. Dabei kommen klassische züchterische Methoden nach Mendel, aber auch gentechnische Verfahren zum Einsatz.

Genomforschung forciert moderne Züchtung

Die Verwendung gentechnischer Methoden mündet nicht immer automatisch in die Herstellung transgener Pflanzen. So werden molekulare Marker und Genomsequenzierung eingesetzt, um Pflanzen züchterisch zu verbessern. Mit Hilfe dieser Methoden werden zum Beispiel Resistenzgene aus verwandten Spezies in Hochleistungssorten eingebracht.

Eine Alternative zur Gentechnik bietet der Heterosis-Effekt, also die besondere Leistungsfähigkeit von Hybriden (Mischlingspflanzen). Hybride aus der Kreuzung zweier degenerierter Inzuchtlinien können um bis zu 70 Prozent höhere Erträge liefern. Dieses Phänomen wird jetzt auch molekularbiologisch untersucht, um die Pflanzen-Heterosis optimal in der Züchtung nutzen zu können. Den aktuellen Stand der Forschung rund um die Hybridzüchtung reflektierte die Heterosis-Konferenz unter dem Motto „Renaissance der Hybridzüchtung“ Anfang September 2009 an der Universität Hohenheim.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Die Mendelschen Regeln sind Gesetzmäßigkeiten bei der Vererbung von Merkmalen, die nur auf einem einzigen Gen beruhen. Sie wurden zum ersten Mal von Mendel und später unabhängig voneinander von Correns, Tschermak und de Vries formuliert.
  • Der Phänotyp beinhaltet alle sichtbaren Eigenschaften eines Organismus. Er wird vom Genotyp (der genetischen Ausstattung) und der Umwelt bestimmt.
  • Resistenzgene sind Gene, die vor allem bei Bakterien und Hefen auf Plasmiden lokalisiert sind und für Faktoren kodieren, die die Zellen, z. B. gegenüber Antibiotika oder Schwermetallen, widerstandsfähig machen. In der Mikrobiologie und der Gentechnik werden häufig Antibiotikaresistenzgene als selektive Marker für Vektoren verwendet, um deren Anwesenheit in einer Zelle zu überprüfen.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Transgene Organismen sind Organismen (Mikroorganismen, Tiere, Pflanzen), denen mit Hilfe gentechnischer Methoden ein fremdes Gen eingeführt worden ist, das von Generation zu Generation weitervererbt wird. Transgene Organismen sind somit gentechnisch veränderte Organismen. (GVO)
  • Ein Transposon ist ein springendes Gen, also ein DNA-Abschnitt, der sich selbst in verschiedene Genom-Abschnitte einbauen kann.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Unter Degeneration verstehet man in einem medizinisch-biologischen Sinn die Rückbildung und den Verfall von Zellen, Geweben oder Organen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Fettsäuren sind Carbonsäuren (organische Säuren) die oft aus langen, unverzweigten Kohlenstoffketten bestehen. Sie können entweder gesättigt oder ungesättigt sein und sind Bestandteil von Fetten und Ölen.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Bioethanol (Ethylalkohol) gehört zu den Biokraftstoffen. Es handelt sich dabei um Ethanol, das ausschließlich aus nachwachsenden Kohlenstoffträgern, nämlich auf Basis zucker- oder stärkehaltiger Feldfrüchte oder aus zellulosehaltigen Pflanzenbestandteilen (Zuckerrübe, Rohrzucker, Getreide) hergestellt wurde. Die Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und diese anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren.
  • Vitamine sind lebenswichtige organische Verbindungen, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, da sie der Körper nicht selbst synthetisieren kann. Sie sind für die Regulation des Stoffwechsels verantwortlich, indem sie die Verwertung von Kohlenhydrate, Proteine und Mineralstoffe ermöglichen. Man unterscheidet zwischen fettlöslichen und wasserlöslichen Vitaminen. Vitamin C ist zum Beispiel für die Stärkung des Immunsystems zuständig. Ausnahme: Vitamin D kann vom Körper produziert werden, solange genug Sonnenlicht vorhanden ist.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/blick-ins-gruene-pflanzengenomforschung/