Genome Editing bei Bäumen: Schnellere Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen

Von Tobias Brügmann

Genome Editing funktioniert nicht nur in Nutzpflanzen, sondern auch in Bäumen. Allerdings: Einfach ist es nicht. Dennoch ist Genome Editing – die gezielte Veränderung einzelner DNA-Bausteine – auch hier ein lohnendes Ziel, weil sich damit ein riesiges Potenzial erschließt: So könnten Bäume schneller und besser an sich verändernde Umweltbedingungen angepasst werden. Gerade in Zeiten des Klimawandels könnte das noch wichtig werden.

Bäume haben komplexere Genome als die meisten krautigen Kulturpflanzen und einen sehr geringen Domestizierungsgrad. Dies liegt vor allem an den langen Generationszyklen. Bis Bäume blühen - erst von da an ist Kreuzungszüchtung möglich -, können viele Jahre bis Jahrzehnte vergehen. Während eine Pappel nach spätestens sieben Jahren blüht, können bei einer Eiche bis zu 40 Jahre und bei einer Rotbuche bis zu 80 Jahre vergehen. Durch den niedrigen Domestizierungsgrad sind Bäume von der Forschung nahezu unbearbeitet und bergen großes genetisches Potenzial. Wie die Tiefsee sind die Genome der Bäume wenig erforscht und erst anfänglich verstanden.

Riesengenome für die Editierung erschließen

Während das Genom der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), der als „Haustier der Pflanzengenetiker“ bezeichneten Modellpflanze, nur ca. 130 Millionen Basenpaaren umfasst, verfügt die amerikanische Balsampappelart Populus trichocarpa über etwa 520 Millionen Basenpaare. Deren Genomsequenz wurde 2006 als weltweit erstes Baumgenom veröffentlicht. Weitere sequenzierte Pappelgenome kamen hinzu, sodass Pappeln geeignete Modellorganismen unter den Bäumen sind.

Andere Baumarten, bei denen die molekulargenetische Forschung noch am Anfang steht, besitzen noch größere Genome. Dazu gehören auch drei der bedeutendsten Baumarten Deutschlands:

• Rotbuche (Fagus sylvatica): 540 Millionen Basenpaare
• Stieleiche (Quercus robur): 740 Millionen Basenpaare
• Gemeine Fichte (Picea abies): 20 Milliarden Basenpaare

Bäume können damit die Genomgröße einiger Kulturpflanzen überragen: Vergleichsweise klein ist das Genom von Reis mit etwa 450 Millionen Basenpaaren. Das 2018 entschlüsselte Weizen-Genom hat eine Größe von 16 Milliarden Basenpaaren. Der Mensch hat zum Vergleich eine Genomgröße von etwa 3,2 Milliarden Basenpaaren.

Mit der Sequenzierung der Baumgenome werden neue Forschungsansätze denk- und durchführbar. Funktionelle Analysen können die Aufgabe bestimmter Gene aufklären und dadurch die konventionelle Züchtung verbessern. Erst die Kenntnis von Genomsequenzen und ihrer Bedeutung für bestimmte Merkmale ermöglichen es, die neuen Verfahren der Genom-Editierung auch bei Bäumen einzusetzen, um damit gezielt einzelne DNA-Bausteine „umschreiben“ zu können. Das bekannteste dieser neuen Verfahren ist die „Gen-Schere“ CRISPR/Cas.

Genom-Editierung im Labor

Die Genom-Editierung muss allerdings zunächst für verschiedene Baumarten etabliert werden. Hierfür ist nach derzeitigem Forschungsstand immer auch ein in vitro-Regenerationssystem notwendig, weil die Bäume – wie alle Pflanzen – die für CRISPR/Cas benötigten Gene nicht selbst enthalten. In der Praxis werden die Genom-Editierungen von Vektoren ausgelöst, die mittels Agrobakterien, einer sogenannten Genkanone oder mittels Protoplasten-Transformation in Pflanzenzellen eingebracht werden. Dabei werden immer einzelne Zellen bearbeitet.

Diese editierten Pflanzenzellen werden anschließend mit Gewebekulturtechniken zu gesamten Pflanzen regeneriert. Hierfür wird mit pflanzlichen Hormonen im Kulturmedium die Totipotenz von Pflanzenzellen animiert, also die Fähigkeit zur Regeneration der gesamten Pflanze aus einer einzelnen Pflanzenzelle. Allein dieser Schritt fordert Wissenschaftler heraus: Verglichen mit anderen Kulturpflanzen wachsen Bäume deutlich langsamer. Das zeigt sich bereits in der Gewebekultur, da die Pflanzenzellen von Baumarten viel länger brauchen, um vollständig zu regenerieren.

Für die Entwicklung der Genom-Editierung wird häufig ein Albino-Markersystem genutzt, das auf dem Gen für eine Phytoen-Desaturase beruht, einem Enzym, das an der Bildung des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll beteiligt ist. Wird dieses Gen durch eine erfolgreiche Genom-Editierung ausgeschaltet, sind die Pflanzenzellen nicht mehr grün, sondern weiß und somit optisch leicht zu erkennen. Dieses System ist lediglich für die Methodenentwicklung relevant. Wenn die Methodik etabliert ist, können andere Gene mit Genome Editing bearbeitet werden. Hierfür kommen auch Gene für eine größere Produktivität oder Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse in Frage.

DNA-freie Genom-Editierungen

Die praktische Anwendung genom-editierter Bäume setzt voraus, dass sie nicht den gleichen strengen gesetzlichen Vorschriften unterliegen wie gentechnisch veränderte Pflanzen. Bleibt es bei der derzeit gültigen Regulierung, wäre eine Anpflanzung genom-editierter Bäume im Freiland zur Produktion von Holz oder Nahrungsmitteln in Deutschland undenkbar.

Die DNA-freie Genome-Editierung, die auf die Übertragung von DNA in die Bäume gänzlich verzichtet, könnte hierbei eine Brücke bauen. Genom-editierte Pflanzen, die keine fremde DNA enthalten, sind bereits in vielen Ländern dereguliert, darunter Australien, Japan, Israel, Brasilien und die USA. In Deutschland laufen derzeit zahlreiche Forschungsprojekte, um DNA-freie Editierungen in Pflanzen zu entwickeln, darunter das Projekt „aProPop“, das auf Pappeln ausgerichtet ist (siehe: Im Web, Kontextleiste rechts).

Die bisherigen DNA-freien Genom-Editierungen basieren auf dem Einschleusen von Proteinkomplexen in Protoplasten (Zellen ohne Zellwand), die ebenfalls in Gewebekultur regeneriert werden müssen. Bisher hat diese DNA-freie Genom-Editierung lediglich beim Kautschukbaum funktioniert. An einer völlig neuen Methode zur Genome-Editierung, die ohne eine Gewebekultur auskommt, forscht derzeit das Thünen-Institut für Forstgenetik im schleswig-holsteinischen Großhansdorf. Damit könnten auch solche Baumarten editiert werden, die nicht in Gewebekultur kultiviert werden können.

Chancen durch die Genom-Editierung

Mit der Genom-Editierung können zwei Hindernisse überwunden werden, die bisher wie eine gläserne Decke die Forschung an Bäumen blockierten. Mit CRISPR/Cas lassen sich erstmals ausgewählte Genregionen in Bäumen gezielt verändern und somit auch charakterisieren. Damit lässt sich beispielsweise die Frage klären, welche Genkombinationen und darin begründete Merkmale in Zeiten des Klimawandels relevant und auch auf längere Sicht für die Forstpflanzenzüchtung nützlich sind.

Vor allem kann CRISPR/Cas die Arbeit in der klassischen Forstpflanzenzüchtung immens beschleunigen, da Bäume mit veränderten Merkmalen vegetativ vermehrt werden können. Zur Veränderung des Genoms eines einzelnen Baums ist damit keine Kreuzung notwendig, bei der eine gewünschte genetische Information auf die Nachkommen übertragen werden kann. Dies wäre erst nach Einsetzen der Blüte nach mehreren Jahren überhaupt möglich.

Auch wenn eine Anpflanzung genom-editierter Bäume derzeit nicht in Frage kommt, ist die Etablierung der neuen Züchtungstechnologien ein lohnendes Ziel - gerade in den Zeiten des Klimawandels. Die Genom-Editierung von Bäumen könnte insbesondere dann relevant werden, wenn sich rasch Umwelteinflüsse ändern, mit denen die natürliche, evolutionsgetriebene Anpassung der Bäume nicht Schritt halten kann.