Die Entwicklung von "Super-Pflanzen"
Das EU-finanzierte Projekt "Recombination: An old and new tool for plant breeding" (RECBREED) wurde ins Leben gerufen, um die Entwicklung von "Superpflanzen" zu verwirklichen. Das RECBREED-Konsortium arbeitete an der Optimierung der Pflanzenzucht, indem es einen besseren Maßnahmenkatalog zur Züchtung von Pflanzen mit wünschenswerten Eigenschaften und zur Ausmerzung unerwünschter Pflanzeneigenschaften ausarbeitete. Das Konsortium erforschte verschiedene Verfahren zur homologen Rekombination (HR), die den Austausch genetischen Materials zu Zwecken der DNA-Reparatur, die Reproduktion (auch Meiose genannt) und die künstliche Genübertragung zwischen verschiedenen Arten oder Stämmen ermöglicht. Techniken enthalten Gen-Targeting (GT), meiotischen Rekombination und DNA-Doppelstrangbruch Induktion (DSB) durch künstliche Nukleasen. In RECBREED konnten mehrere Meilensteine auf dem Weg zur passgenauen Züchtung von Pflanzengenomen erreicht werden. Jeder Schritt der HR wurde intensiv erforscht, indem für ausgewählte Pflanzen wie Tomate, Mais und Ackerschmalwand wichtige Gene charakterisiert und ihre Funktion erläutert wurde. Mithilfe bioinformatischer Analysen wurden geeignete molekulare Marker bestimmt und zur Prüfung und Validierung verwendet. Unter Verwendung von Zinkfingernukleasen und Transkriptionsaktivatorähnlichen-Effektornukleasen gelang es den Wissenschaftlern, in Ackerschmalwand- und Tomatenpflanzen DSB-induzierte Mutagenese sowie GT durchzuführen. Bei keiner dieser Methoden konnten Giftstoffbildung oder negative Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum festgestellt werden. Das Team entwickelte eine innovative GT-Methode namens "in planta", die Transformation und GT in zwei einzelnen Schritten vornimmt und deren Wirksamkeit in den Pflanzen Mais und Ackerschmalwand bereits gezeigt werden konnte. Durch Überexpression des Proteins AtRAD52-1A konnten die GT-Frequenzen verbessert und so eine Verzehnfachung der präzisen GT-Rate erzielt werden, was als wesentliche Errungenschaft angesehen werden kann. Besonderes Augenmerk wurde auf das Verständnis und die Anpassung der für meiotische Rekombination relevanten Faktoren gelegt. Entscheidende Parameter wie die zu Rad51 paralogen Proteine, die DNA-Methylierungszustände, die Chromatinstruktur sowie die Rekombinasen (Rad51 und Dmc1) konnten erfolgreich bestimmt werden. Es hat sich gezeigt, dass die herkömmlichen Anbauverfahren den rasant steigenden Bedarf an Nahrungs- und Futtermitteln nicht decken können. Die Anwendung von GT-Technologie könnte sich als geeignet für die industrielle Produktion hochwertiger Pflanzen erweisen, die über einen hohen Nähr- und Ertragswert verfügen. Für den europäischen Agrarsektor, der für den Saatguthandel allein einen Marktanteil von rund 4 000 Millionen Euro vorweisen kann, ist dies von hoher sozioökonomischer Bedeutung. Die Kombination aus Landwirtschaft und Biotechnologie wird die Marktstellung der EU auf diesem Gebiet weiter stärken.
Schlüsselbegriffe
Pflanzenzucht, homologe Rekombination, Gen-Targeting, Doppelstrangbruch, Zinkfingernuklease, Biotechnologie