Forschung an Pflanzengenen und -Molekülen

Während die Ökologen nach Antworten auf die evolutionären Anpassungsfähigkeit von Pflanzen suchen, beschäftigt den Physiologen, wie Pflanzen innerhalb von Sekunden auf Umweltreize reagieren, um zu überleben. Ein ausgeklügeltes System molekularer Mechanismen sorgt dafür, dass Pflanzen Lebensvorgänge wie Photosynthese, Wachstum oder Nährstoffaufnahme an die Bedingungen ihres Standortes rasch anpassen. Diese Regulationsmechanismen von Grund auf zu verstehen, ist Ziel der modernen Pflanzenphysiologie. Während sich die klassische Pflanzenphysiologie hauptsächlich mit der Beschreibung von Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen beschäftigte, liefern die neuen molekulargenetischen und biochemischen Methoden neue Einblicke in die Funktion dieser Prozesse. Zu diesen modernen Analyseverfahren gehören beispielsweise das Erfassen von Genaktivitätsmustern zu einem bestimmten Zeitpunkt (Transkriptomanalysen), Messung von Proteinen und Stoffwechselprodukten. Auch wann und wo sich bestimmte Proteine innerhalb einer Zelle aufhalten, können Wissenschaftler mittels High-Tech Mikroskopie erfassen. Auf diese Weise wird die Stoffaufnahme von Nährstoffen über die Wurzel, wie die Pflanze sie verteilt, nutzt, auf- und abbaut untersucht und wie diese Vorgänge gesteuert werden.

Festgewachsen zu sein heißt Hitze, Fressfeinden und Nährstoffmangel nicht entkommen zu können. Molekulare Analysen zeigen wie, Pflanzen trotzdem überleben. (Quelle: © iStockphoto.com / nolimitpictures)

Pflanzen müssen Stress aushalten

Ein für die Pflanzenzucht besonders relevantes Forschungsgebiet ist die Stressphysiologie von Pflanzen.  Dazu gehört zum Beispiel die Reaktion von Pflanzen auf wechselnde Angebotsmengen an Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphat oder ihre Stressreaktionen auf abiotische Faktoren wie etwa zu hohe oder niedrige Temperaturen oder ein zu hoher Salzgehalt. Mittlerweile ist es gelungen zumindest die grundlegenden Biochemischen Prozesse zu verstehen, mit denen Pflanzen auf bestimmte Stressfaktoren und Engpässe bei der Nährstoff- und Wasserversorgung reagieren. Eine der wichtigsten Technik, die Pflanzenforschern diese Aufklärung ermöglichten ist die funktionellen Genetik. Mit Hilfe der funktionellen  Genetik können bestimmte Gene ausgeschaltet oder verstärkt werden, um zu untersuchen, welche Aufgaben ein bestimmtes Protein beispielsweise beim Schutz gegen Hitze übernimmt.

Pflanzenbiotechnologie

Die Erforschung von Pflanzengenomen kann auch eingesetzte werden, um Genomabschnitte gezielt mittels Gentechnik zu verändern. Mit Biotechnologischen Methoden ist es beispielsweise möglich, Gene zu übertragen, durch die sich krankheitsresistente, nährstoffangereicherte und klimatolerantere Pflanzensorten schneller zu züchten lassen, wie beispielsweise der Bt-Mais oder den sogenannten Golden Rice. Im Gegensatz dazu brauchen Züchter mit klassischen Zuchtmethoden (Auslese und Weiterzucht)- je nach Pflanzenart- mitunter Jahrzehnte, um eine neue Sorte zu entwickeln.

Das Erzeugen besserer Pflanzensorten durch die biotechnologische Veränderung oder das Einkreuzen einzelner Gene oder Genabschnitte gelingt jedoch nicht immer. Denn die Entschlüsselung vieler Pflanzengenome hat gezeigt, dass landwirtschaftlich interessante Pflanzeneigenschaften nicht immer auf einzelnen „Super-Genen“ liegen. Wuchshöhe, Nährstoffgehalt und Ertrag werden beispielsweise häufig durch ein Zusammenspiel vieler Genorte bestimmt („polygenetic traits“). Dabei können mehrere hundert Gene, in einem komplexen Wechselspiel zueinander stehen und einen Beitrag leisten. Komplexe Genomanalysen, sogenannter Genome Wide Associated Studies (GWAS) sollen helfen, dass Zuchtpotential von Elternpflanzen für polygenetische Eigenschaften schon im Vorfeld vorhersagen zu können. Minimale genetische Variationen werden dabei in den Genomen der Elternpflanzen erfasst, um für jede Pflanzenlinie ein Genomprofil zu erstellen. Anschließend wird untersucht, welche Genomprofile bestimmten positiven Eigenschaften zugeordnet werden können und ein mathematisches Modell trainiert, mit dem sich die besten Eltern identifizieren lassen. Bei der auf GWAS und MAS-basierenden Zucht werden also keine biotechnologischen Methoden angewandt. Die Verfahren sollen die klassischen Zuchtmethoden beschleunigen. Die Entwicklung von GWAS-Modellen findet in Deutschland beispielsweise beim Maisanbau statt, um ertragreicheren Maispflanzen zu züchten.

Neue Sequenzierungstechniken ermöglichen einen Blick in die Genome von Kulturpflanzen. (Quelle: © iStockphoto.com / Mark Evans)

Präzisionszucht durch Genomforschung

Sind bestimmte nützliche Eigenschaften von Pflanzen auf genetischer Ebene verstanden und die verantwortlichen Gene im Genom kartiert, lässt sich dieses Wissen in der Züchtung gezielt einsetzen. Ein Methodenset, das mittlerweile häufig zum Einsatz kommt, ist die sogenannten Präzisionszucht auch SMART Breeding genannt. Diese Technik beruht auf der sogenannten Marker gestützten Selektion (marker-assisted selection, kurz MAS). Im ersten Schritt werden im Genom die Genabschnitte erfasst, die vorteilhafte Eigenschaften verschlüsseln, wie beispielsweise süßere Früchte. Diese Abschnitt wird anschließend wird das Gen mit DNA-Sonden markiert. Nach der Kreuzung können die Züchter die Jungpflanzen im Labor auf den gesuchten Genabschnitt hin testen.  Die Auswahl der Jungpflanzen kann also schon im Labor erfolgen, ohne deren Aufwuchs abwarten zu müssen. Gentechnisch verändert, werden die Gene der Nachwuchspflanzen dabei nicht.

In Deutschland ist Pflanzengenomforschung vor allem mit dem BMBF geförderten Programm GABI verbunden („Genomanalyse im Biologischen System Pflanze“). Gemeinsam mit einer Vielzahl nationaler und internationaler angewandter Pflanzenforschungsprojekten wird das Programm heute unter dem Dach von Plant2030 weitergeführt.