Pflanzenzüchtung

Genome Editing bei Pflanzen: Jede Menge Projekte

Genome Editing - insbesondere CRISPR/Cas - bei Pflanzen: Nahezu täglich erscheinen neue wissenschaftliche Publikationen. Da ist es schwer, den Überblick zu behalten. In Forschungsprojekten überall auf der Welt geht es zunächst darum, die neuen Verfahren bei verschiedenen Kulturpflanzenarten zu etablieren. Zahlreiche solcher Pflanzen mit neuen oder verbesserten Eigenschaften werden bereits in Gewächshäusern oder gar im Freiland getestet. Bei einigen zeichnet sich sogar eine Markteinführung ab.

Reis

Reis: CRISPR-Boom. Bisher sind über 80 wissenschaftliche Publikationen zu CRISPR-basierten Forschungsprojekten bei Reis erschienen (März 2017), so zu Rice Blast (Reisbräune; Foto). Sie ist die wirtschaftlich bedeutendste Reiskrankheit und kommt weltweit in allen Anbaugebieten vor. Die Züchtung resistenter Reissorten ist schwierig und dauert lange. Mit CRISPR zeichnet sich eine Alternative zum Einsatz chemischer Fungizide ab. An der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist es gelungen, ein bestimmtes Gen „herunterzuregulieren“ und so die Immunabwehr der Pflanzen zu verbessern. Im Labor zeigten sich die editierten Reispflanzen deutlich widerstandsfähiger gegen Rice Blast. Wenn das Konzept tatsächlich funktioniert, könnten Blast-Resistenzen in etablierte Reissorten eingeführt werden - schnell, direkt und ohne langwierige Kreuzungsschritte.

Weizen, Mehltaubefall

Weizen: Schlüsselproteine gegen Mehltau ausgeschaltet. Mehltau ist eine weit verbreitete Pilzkrankeit, die Weizen und andere Getreidearten befällt. Die Ertragsverluste können bis zu 25 Prozent betragen. Die Züchtung resistenter Sorten ist schwierig, da Weizen hexaploid ist, also einen dreifachen jeweils doppelten Chromosomensatz besitzt. Jedes Gen ist gleich dreimal vorhanden, meist in unterschiedlichen Varianten. Soll ein neues Merkmal – etwa eine verbesserte Mehltauresistenz – eingezüchtet werden, müssen die entsprechenden Gene auf allen drei Chromosomen vorhanden sein. In der klassischen Züchtung – und auch für die Gentechnik – ist es eine bisher kaum lösbare Aufgabe. Mit Genome Editing könnte das einfacher werden: Chinesische Wissenschaftler haben mit CRISPR bzw. TALEN bei einer Weizensorte gleichzeitig alle drei vorhandenen MLO-Gene „ausgeschaltet“. Diese codieren für ein bestimmtes Protein (MLO), das dem Pilz das Eindringen in die Pflanzenzelle ermöglicht. Das Ergebnis: Weizen, bei dem die pathogenen Pilze keinen Schaden anrichten können. In den USA werden diese editierten Sorten bereits im Freiland getestet. Die dortigen Behörden haben offiziell bestätigt, dass sie nicht unter Gentechnik-Vorschriften fallen.

Mais Trockenheit

Mais: Trockenstress besser vertragen. Wissenschaftler in den USA haben herausgefunden, dass ein bestimmtes Protein (ARGOS8) bei Mais die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber dem Wachstumshormon Ethylen senkt. Produziert die Pflanze mehr ARGOS8-Protein, reagiert sie bei Stress robuster und stellt nicht wie sonst bei Wassermangel das Wachstum ein. Mit der CRISPR-Methode gelang es, den Schalter (Promotor) des ARGOS8-Gens so umzuschreiben, dass es unter Stressbedingungen aktiv bleibt und der so editierte Mais dann bessere Erträge liefert. Das Unternehmen DuPont-Pioneer plant eine Markteinführung in den nächsten Jahren - gut möglich, dass er in den USA nicht unter die Gentechnik-Regulierung fällt.

Gurke

Gurke: Endlich Virus-Resistenzen? Viele Pflanzenkrankheiten werden durch Viren ausgelöst. Da die Züchtung widerstandsfähiger Sorten oft schwierig ist, werden die Überträger – meist Insekten – oft mit viel Chemie bekämpft. Auch hier eröffnen sich mit CRISPR neue Möglichkeiten: Bestimmte Oberflächenproteine können zum Beispiel so verändert werden, dass die Viren nicht mehr in die Zellen eindringen und sie für die eigene Vermehrung kapern können. Einem Team am Volcani Center in Israel ist es so gelungen, Gurken mit einer breiten Resistenz gegen verschiedene Viren zu entwickeln. Abgesehen von einigen frühen Projekten mit herkömmlicher Gentechnik sind es die ersten virusresistenten Gurken überhaupt.

Sojabohnen

Großes Foto oben: Dan Calma / IAEA; übrige Fotos: IRRI,ommb/123RF, Satit Srihin/123RF, USDA/ARS

Soja: Weniger Trans-Fettsäuren. Die Firma Calyxt hat mit Hilfe von TALEN eine Sojabohne entwickelt, deren Öl länger haltbar und gesünder ist. Bei ihr wurden zwei Gene (FAD2 und FAD3) ausgeschaltet, die für die Umwandlung von einfach ungesättigter Ölsäure in mehrfach ungesättigte Linolsäure erforderlich sind. So wurde der Anteil der erwünschten einfach ungesättigten Ölsäure von 25 auf 80 Prozent gesteigert. Beim Erhitzen des Öls werden weniger Trans-Fettsäuren gebildet, die als gesundheitlich bedenklich gelten. Eine gentechnisch veränderte Sojabohne mit vergleichbaren Eigenschaften (MON87705) ist bereits seit einigen Jahren auf dem Markt. Calyxt will die Sojabohne Ende 2018 auf den Markt bringen. Sie wurde von der US-amerikanischen Landwirtschaftsbehörde bereits als nicht-gentechnisch verändert eingestuft und unterliegt somit nicht der Gentechnik-Regulierung.

CRISPR/Cas, TALEN und Genome Editing: Projekte in der Pflanzenzüchtung (Beispiele)

Pflanzenart Ziel Verfahren Wer Stand
Alfalfa (Luzerne) Geringerer Ligningehalt, bessere Futterverwertung TALEN Calyxt, S&W Seed in den USA nicht als GVO eingestuft »
Citrusfrüchte Resistenz gegen Citrus Greening CRISPR Univ. of Florida Projekt publiziert »
Erdnuss Ausschalten von Allergenen CRISPR Aranex, UK Entwicklung »
Gurken Resistenz gegen Viren CRISPR Volcani Center, Israel Projekt publiziert »
Kakao Resistenz gegen Krankheit CRISPR Penn State Univ. Projekt publiziert »
Kartoffel Stärke-zusammensetzung CRISPR Swedish Univ. of Agricultural Sciences Projekt publiziert »
Kartoffel Lagerfähigkeit, weniger Acrylamid TALEN Cellectis plant sciences Inc. in den USA nicht als GVO eingestuft* »
Leindotter höherer Ölgehalt CRISPR Yield10 Bioscience Freilandversuche, in den USA nicht als GVO eingestuft »
Mais Trockentoleranz CRISPR DuPont Pioneer Feldversuche »
Mais Resistenz gegen Blattflecken-krankheit CRISPR DuPont Pioneer in den USA nicht als GVO eingestuft »
Orangen Resistenz gegen Citrus-Krebs CRISPR Citrus Research Institute, China Projekt publiziert »
Pappeln Geringerer Ligningehalt CRISPR Univ. of Georgia Projekt publiziert »
Raps Bessere Platzfestigkeit der Schoten (Ertrag) CRISPR Uni Kiel Projekt publiziert »
Reis Toleranz gegen Reisbrand (Rice blast) CRISPR Chinese Academy of Science Projekt publiziert »
Reis Bessere Wassereffizienz durch weniger Spaltöffnungen (Stomata) CRISPR IRRI Projekt »
Reis Duftreis TALEN Chinese Academy of Science Projekt publiziert »
Sojabohnen Veränderte Fettsäuren TALEN Calyxt in den USA nicht als GVO eingestuft, Feldversuche »
Speisepilze Kein Braunwerden nach dem Anschneiden CRISPR Univ. of Pensylv. in den USA zugelassen, kein GVO »
Tomate Besserer Geschmack CRISPR Univ. of Florida Projekt »
Tomate frühere Reife CRISPR Cold Spring Harbor Lab. USA Projekt publiziert »
Tomate Resistenz gegen Mehltau CRISPR Sainsbury Lab. UK, MPI Tübingen Projekt publiziert »
Wachsmais Stärke CRISPR DuPont Pioneer Markteinführung 2020, in den USA nicht als GVO eingestuft »
Weinrebe Resistenz gegen Mehltau CRISPR Rutgers University New Jersey. Projekt »
Weizen Mehltau-Resistenz TALEN Calyxt Feldversuche, in den USA nicht als GVO eigestuft »
Weizen Mehltau-Resistenz CRISPR Chinese Academy of Science Projekt publiziert »
Weizen Weniger Gluten TALEN Calyxt Entwicklung »
Zuckerrohr Weniger Lignin, mehr Zucker TALEN Univ. of Florida Feldversuche »

*eine GVO-Variante (Kartoffel mit den gleichen Merkmalen) ist in den USA bereits zugelassen