„Geschmierte“ Gentechnik

Direkt auf die Blattstiele aufgetragener Auslöser ermöglicht präzise chemische Genmanipulation im Feld.

Experimente mit transgenen Pflanzen sind im Feld mit strengen Auflagen verbunden oder ganz verboten. Die Untersuchung der Funktion von Genen im natürlichen Umfeld kann aber Aufschluss über wichtige Zusammenhänge liefern, die unter den kontrollierten Bedingungen im Treibhaus oder Labor so nicht nachstellbar sind. Auch die Genmanipulation über chemische Wirkstoffe, die in der Regel durch Sprays oder Applikation über das Bodensubstrat oder das Wasser eingebracht werden, ist logischerweise im Feld verboten, um die Umwelt nicht zu gefährden. Forscher der Universität Jena haben jetzt einen Weg gefunden, im Feld eine auf chemischem Weg induzierte gentechnische Veränderung an Blättern des Wilden Tabaks (Nicotiana attenuata) vorzunehmen und gleichzeitig die möglichen Gefahren für die Umwelt zu minimieren.

Tabak als Modellpflanze

Der Wilde Tabak (Nicotiana attenuata) wird schon seit längerer Zeit als Modellpflanze zur Untersuchung von Interaktionen zwischen Pflanzen und Umwelt genutzt. Aufgrund ihrer häufigen Verwendung ist sie sehr gut erforscht und eignet sich daher für die Untersuchung der Funktion von Genen unter natürlichen Bedingungen. Sie wächst in ariden Gebieten im südwestlichen Nordamerika, wo sie meist nach Buschbränden zerstörte Flächen besiedelt (Pyrophyt). Die untersuchten Pflanzen befanden sich in einem Versuchsfeld im Great Basin in Utah (USA). Dort herrschen hohe Sonneneinstrahlung, Trockenheit und starker Wind vor. Bevorzugt an Tabak saugende und knabbernde Herbivoren, deren Einwirkung auch untersucht wurde, waren die Wanzenart Tupiocoris notatus und die Raupe des Tabakschwärmers Manduca sexta.

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Chemisch induzierte Systeme

Um die Funktion und die Bedeutung eines Gens zu untersuchen, gibt es die Möglichkeit, dieses Gen auf chemischem Weg zu manipulieren. Der Vorteil liegt darin, dass man gezielt auf bestimmte Gewebe einwirken und in „Echtzeit“ ein spezielles Gen aktivieren, ausschalten (Gene Silencing) oder eine erhöhte Produktion von Proteinen (Überexpression) anregen kann. Für das in dieser Untersuchung verwendete „DEX-induzierte pOp6/LhGR4-System“ werden die für die Expression notwendigen „Bauteile“ - unter anderem ein Transkriptionsfaktor, der das zu untersuchende Gen kennzeichnet, ein Promoter, der die Expression des Gens initiiert und eine Bindungsdomäne für einen Glucocorticoid-Rezeptor - über einen speziellen Vektor in die entsprechenden Pflanzenzellen eingeschleust. Appliziert man jetzt den chemischen Auslöser, hier das Glococorticoid Dexamethason, kurz DEX, dann werden die entsprechenden Gene aktiviert und man kann die Auswirkungen beobachten. Wird das DEX nicht ausgebracht, passiert in der Pflanze gar nichts, da das System inaktiv bleibt. Das verwendete Steroid Dexamethason ist ein hochwirksames, entzündungshemmendes Glucocorticoid, das medizinisch verwendet wird, aber auch bei Menschen und Insekten das Immunsystem aus dem Takt bringen kann.

Eingecremte Blattstiele

Ziel der Untersuchung war es, eine Methode zu finden, mit der eine präzise chemische Genmanipulation direkt im Feld durchgeführt werden kann, ohne dabei die Umwelt zu gefährden. Um das DEX-System in der Pflanze zu aktivieren, muss das DEX zunächst auf die zu untersuchenden Blätter aufgetragen werden. Da Sprays und präparierte Substrate nicht erlaubt sind, entwickelten die Wissenschaftler eine Paste auf Lanolinbasis (Lanolin = Wollwachs), in die sie das DEX einarbeiteten. Ausgesuchte Blätter wurden auf der Unterseite des Blattstiels dünn mit der Paste bestrichen. So wurde eine kontinuierliche Zufuhr von DEX in die Pflanze sichergestellt. Gleichzeitig wurde so der direkte Kontakt zu herbivoren Insekten minimiert, da diese selten die Unterseite von Blattstielen besuchen. Am Ende der Experimente wurden die präparierten Blätter abgeerntet, um zu verhindern, dass sie in die Umwelt gelangen.

Die erste Untersuchung beinhaltete das gezielte Ausschalten eines Gens, welches das Enzym Phytoen-Desaturase (pds) codiert. Dieses Enzym ist an der Carotinoidsynthese beteiligt. Durch das Gene Silencing sollte so die Produktion von Carotinoiden unterbunden werden. Der Effekt des silencing war direkt im Ausbleichen neu gebildeter, oberirdischer Gewebe zu beobachten.

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Höhere Blattschäden durch höhere Cytokinin-Werte

In einer zweiten Untersuchung an weiteren Tabakpflanzen sollte ein für die Cytokinin-Produktion zuständiges Enzym, die Isopentenyl-Transferase (ipt) überexprimiert werden. Cytokinine sind Phytohormone, die von der Pflanze in unterschiedlichen Dosen freigesetzt werden. Sie regeln unter anderem das Wachstum sowie die Abwehr von Fressfeinden. Daher muss das System hier sehr präzise arbeiten, denn schon kleine Konzentrationsänderungen bei den Cytokininen äußern sich in einer veränderten Pflanzenentwicklung. Die Cytokinin-Konzentrationen der manipulierten Pflanzen wurde neben visueller Auswertung auch mittels Massenspektrometrie ermittelt.

Höhere Cytokinin-Werte sollten erwartungsgemäß zu einem geringeren Schädlingsbefall führen, da Cytokinine ein wichtiger Faktor bei der pflanzeneigenen Schädlingsabwehr sind. Die Untersuchung auf Schäden durch Herbivore brachte durch das nun mögliche experimentelle Design das Gegenteil zutage: Verstärkte Blattschäden, verursacht durch die Wanze T. notatus. Die Wissenschaftler vermuten, dass der durch die erhöhten Cytokinin-Werte angestoßene Verteidigungsmechanismus nur schwach auf die Wanzen wirkt, und dass das Cytokinin durch einen erhöhten Stoffumsatz die Blätter für die Wanzen sogar schmackhafter macht. Hier sollen weiterführende Forschungen Klarheit bringen.

Methode für die Zukunft

Die getestete Methode hat, so die Forscher, sehr gut funktioniert. Die auf den Blattstielen aufgetragene Paste reichte aus, um die Gen-Expression im gesamten Blatt zu regulieren. Messungen mittels Massenspektrometrie zeigten, dass es ihnen gelungen war, mit dieser Methode die Cytokinin-Konzentration sowohl quantitativ als auch zeitlich und räumlich genau zu regulieren. Damit ergibt sich die Möglichkeit, einzelne Pflanzengewebe in speziellen Phasen ihrer Entwicklung präzise zu untersuchen, ohne bestimmte Gene von Anfang an in der Pflanze zu beeinflussen. Denn dadurch besteht die Gefahr von ungewollten Effekten, die das Ergebnis verfälschen können. Das hier vorgestellt System bleibt stattdessen, wenn dies gewünscht ist ungenutzt, sozusagen im „Schlaf-Modus“ und behindert die Pflanze nicht in ihrer Entwicklung. Und es kann sicher in der natürlichen Umgebung eingesetzt werden. Einblicke in das Zusammenspiel von Genen und der natürlichen Umwelt sind damit möglich und helfen Genfunktionen besser aufzuklären. Denn Experimenten unter kontrollierten Bedingungen im Labor oder im Gewächshaus haftet immer ein Restverdacht an, nicht 1:1 auf die natürliche Umwelt übertragbar und damit artifiziell zu sein.