Passgenaues Immunsystem in Pflanzen

Forschern gelingt Virusabwehr mit CRISPR

13.10.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Forscher berichten von einem passgenauen Abwehrsystem, das sie mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Methodik in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana etablieren konnten. (Bildquelle: © Vasiliy Koval - Fotolia.com)
Forscher berichten von einem passgenauen Abwehrsystem, das sie mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Methodik in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana etablieren konnten. (Bildquelle: © Vasiliy Koval - Fotolia.com)

Seit ein paar Jahren ist es in aller Munde: das molekulare Präzisions-Skalpell CRISPR/Cas9 zum Genome Editing, dem Umbau des Genoms. Forscher haben nun erstmals ein pflanzliches Immunsystem daraus gebaut, mit dem sich ein Virus stabil abwehren lässt. Pflanzenzüchter, aber auch große Agrarkonzerne, stehen bereits in den Startlöchern.

Pflanzen, die extremer Trockenheit oder heftigen Regenfällen trotzen oder Erdnüsse, die keine Allergien auslösen, sind nur wenige Punkte auf der Wunschliste von Pflanzenzüchtern. Viele Wünsche konnten bereits mit Methoden der klassischen Züchtung oder mit Hilfe der Gentechnik erfüllt werden. Doch es gibt Grenzen - sowohl was die Machbarkeit betrifft, als auch bei der Akzeptanz in der Bevölkerung.

Akzeptanzproblem bei artfremden Genen

Gentechnische Methoden arbeiten häufig mit artfremden Genen, wie z. B. Bt-Mais, dem ein Gen des Bodenbakteriums Bacillus thuringiensis eingesetzt wurde. Mit diesem Gen ausgestattet kann der Mais Schädlinge wie den Maiszünsler (Ostrinia nubilalis) und den westlichen Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera) abtöten. Von einem Großteil der europäischen Bevölkerung werden artfremde Gene in Nahrungspflanzen allerdings nicht akzeptiert.

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Geminiviren sind Schädlinge, die in der Landwirtschaft als Verursacher von Ernteausfällen bedeutsam sind. Sie befallen wichtige Nutzpflanzen wie Mais, Tomaten oder Zuckerrüben.

Geminiviren sind Schädlinge, die in der Landwirtschaft als Verursacher von Ernteausfällen bedeutsam sind. Sie befallen wichtige Nutzpflanzen wie Mais, Tomaten oder Zuckerrüben.

Bildquelle: © iStock.com/pkripper503

Herkömmliche Methoden, die ohne artfremde Gene auskommen, scheiden bei der kurzfristigen Züchtung von Pflanzen mit solchen Eigenschaften oft aus. Die Zuchtmethoden sind zu wenig gezielt und damit zu zeitaufwendig bei der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen oder auf Grund der schlichtweg fehlenden Gene in einer Art.  

CRISPR kann alle Kopien eines Gens verändern

Beim Umbau des Genoms hat sich seit etwa drei Jahren eine neue und scheinbar universelle Methode etabliert - die CRISPR/Cas9-Methode. „Gene Editing“, das präzise Umbauen von Genen innerhalb eines Organismus, kann gleich mehrere Schwachstellen der herkömmlichen Gentechnik überwinden. CRISPR/Cas arbeitet viel genauer als bisher angewendete Methoden und hinterlässt im Genom keinen „Genmüll“. Insbesondere pflanzliche Genome haben Gentechniker bisher vor eine besondere Herausforderung gestellt, denn viele von ihnen sind polyploid. Das bedeutet dass sie mehr als zwei Kopien ihres Genoms in sich tragen – beim Weizen sind es sogar sechs. CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) kann so angewendet werden, dass alle Kopien eines Gens verändert werden, wie chinesische Forscher im vergangenen Jahr am Weizen bewiesen. Das war mit herkömmlichen, gentechnischen Methoden bisher nicht möglich.

Keine langwierigen Genehmigungsprozesse?

Pflanzenzüchter, aber auch die großen Agrarkonzerne, hoffen außerdem, mit den neuen Methoden zur Genom Editierung die komplizierten und oft langwierigen Genehmigungsprozesse für ihre gentechnisch veränderten Pflanzen zu umgehen. Das US-amerikanische Landwirtschaftsministerium hat einigen Firmen schon grünes Licht gegeben, diese Pflanzen nicht zu regulieren, da sie keine artfremden Gene enthalten. Wie das Gentechnik-kritische Europa und China mit den Pflanzen umgehen werden, ist bisher noch offen. Eine entsprechende Entscheidung wird seit einiger Zeit in Brüssel erarbeitet. Die mögliche Einstufung als gentechnische Methode, wie es Gerüchte vermelden, erscheint schwierig. Denn CRISPR/Cas kann nicht von natürlichen Punktmutationen unterschieden werden. Dieser Umstand schließt eine juristische Reglementierung aus.

Auch die Idee, nicht den Weg der Entstehung, sondern das Ergebnis zu bewerten, macht den Sachverhalt nicht einfacher. Denn dies würde bedeuten, dass jede neue gezüchtete Sorte, egal ob über Bienen bestäubt oder technisch gelenkt, umfassend bewertet werden müsste. Naturwissenschaftliche Prozesse und regulatorische Wünsche sind nicht leicht vereinbar.

CRISPR/Cas gegen Geminiviren

Zahlreiche Archaeen und Bakterien nutzen CRISPR/Cas in der Natur zur Immunabwehr, denn es schneidet fremde DNA auf Basis der Sequenz-Komplementarität. Wissenschaftler haben diese Mechanismen nun in Pflanzen zur Abwehr von Viren nachgebaut. Sie berichten von einem passgenauen Abwehrsystem, das sie mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Methodik in den Modellpflanzen Arabidopsis thaliana und Nicotiana benthamiana etablieren konnten.

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Weizen befruchtet sich eigentlich selbst. Zukünftig könnte er mit der neuen CRISPR–Cas9-Technologie in eine noch leistungsfähigeren Hybridpflanze umgewandelt werden.

Weizen befruchtet sich eigentlich selbst. Zukünftig könnte er mit der neuen CRISPR–Cas9-Technologie in eine noch leistungsfähigeren Hybridpflanze umgewandelt werden.

Bildquelle: © Kurt Michel / pixelio.de

Das System richtet sich gegen einen Vertreter der Geminiviren, die durch Insekten übertragen werden und in der Landwirtschaft als Verursacher von Ernteausfällen bedeutsam sind. Geminiviren bestehen aus einem ringförmigen, einzelsträngigen DNA-Molekül und vermehren sich im Zellkern von Pflanzenzellen. Bei zweikeimblättrigen Nahrungspflanzen wie Tomaten, Baumwolle, Zuckerrübe, Pfeffer und Maniok kommt es durch Geminiviren immer wieder zu Missernten.

Während der Virus-Replikation entsteht aus der einzelsträngigen DNA kurzzeitig ein doppelsträngiges Molekül. Genau hier ließen die Forscher ihre CRISPR/Cas9 Abwehr angreifen. Auf diese Weise unterbrachen sie die Virusreplikation und verliehen ihren Pflanzen eine dauerhafte Resistenz gegen das Geminivirus BSCTV (beet severe curly top virus). Dabei fanden die Wissenschaftler besonders effiziente sgRNAs, die in der Lage waren, jede Sequenz im Virengenom aufzuspüren.

CRISPR/Cas9-verändertes Saatgut in etwa 5 Jahren verfügbar

Nachdem die Forscher mit ihrer Arbeit gezeigt haben, dass eine CRISPR/Cas9 Abwehr grundsätzlich bei Pflanzen funktioniert, könnte das System auch bei anderen Pflanzen und gegen andere Viren zum Einsatz kommen. Interessant ist dabei, dass CRISPR/Cas nicht nur gegen DNA-Viren, sondern auch gegen die viel häufiger vorkommenden RNA-Viren wirksam ist.

Durch den rasanten Anstieg der Weltbevölkerung sind massive Ertragssteigerungen nötig. Bis zum Jahr 2050 müssen die Erträge im Vergleich zu den heutigen Ernten mehr als verdoppeln. Eine derartige Steigerung im absoluten Ertragsvolumen gab es bisher noch nie. Mit dem Klimawandel und der Zunahme von Konflikten wächst diese Herausforderung abermals und bedarf vieler Ideen und Ansätze.

Die großen landwirtschaftlichen Biotechfirmen setzen auf die neue CRISPR/Cas9-Technologie und versprechen, CRISPR-verändertes Saatgut bis zum Ende dieses Jahrzehnts auf den Markt zu bringen. In den Pipelines sind unter anderem trockenresistenter Mais aber auch Weizen, der sich nicht mehr selbst befruchtet, sondern wie eine Hybridpflanze gezüchtet wird. Dadurch sollen sich seine Stresstoleranz und sein Erntevolumen verbessern. Ob es Patente auf die neuen Pflanzen geben wird und wer davon am Ende wirklich profitieren wird, bleibt abzuwarten.

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