Genetischer Schalter für Stressanpassung
Gen-Editing macht Kartoffeln klimaresilienter
Kartoffeln im Klimastress: Neue genomeditierte Sorten zeigen auch bei Trockenheit grünes Blattwerk und stabile Erträge – ein vielversprechender Ansatz für eine klimaresiliente Landwirtschaft. (Bildquelle: © kallerna, eigenes Werk /Wikipedia, CC BY-SA 3.0)
Gezielte CRISPR/Cas9-Veränderungen am CBP80-Gen helfen Kartoffelpflanzen, Wasser effizienter zu nutzen und Trockenphasen besser zu überstehen. Argentinische Forschende zeigen erstmals in einem kommerziellen Kartoffelgenotyp, wie ein präziser Eingriff in ein zentrales Regulationsgen die Reaktion auf Dürre optimiert.
Der Klimawandel stellt die Landwirtschaft weltweit vor enorme Herausforderungen. Längere Trockenphasen, unregelmäßiger Regen und steigende Temperaturen machen vielen Kulturpflanzen zu schaffen. Besonders empfindlich auf Wassermangel reagiert die Kartoffel – eine der wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit. Schon kurze Perioden mit Wasserknappheit können zu erheblichen Ertragseinbußen führen. Doch es gibt Hoffnung: Ein argentinisches Forschungsteam vom Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) hat mit der Genschere CRISPR/Cas9 eine Kartoffel entwickelt, die besser mit Trockenstress zurechtkommt und auch unter Dürrebedingungen hohe Erträge liefert.
CBP80: Ein Gen hilft der Pflanze, besser mit Trockenheit umzugehen
Während der Trockenperiode (Mitte) zeigen die Linien CBP80‑32 und CBP80‑39 deutlich geringere Welkeerscheinungen als der Wildtyp (links). Nach Wiederbewässerung (unten) erholen sich die editierten Pflanzen sichtbar besser. Die Bilder dokumentieren drei Zeitpunkte: vor Trockenstress, nach 30 Tagen unter Wassermangel und 11 Tage nach Wiederbewässerung.
Bildquelle: © Decima Oneto, C. A. et al. (2025): CRISPR/Cas9 editing of CBP80 enhances drought tolerance in potato (Solanum tuberosum). Frontiers in Plant Science., CC BY 4.0
In der Studie geht es um ein Gen namens CBP80. Dieses Gen spielt eine wichtige Rolle in der Zelle: Es hilft bei der Verarbeitung von RNA – also der Botenform unserer Erbinformation –, damit die Pflanze ihre Gene richtig nutzen kann. Zusammen mit einem Partnerprotein (CBP20) bildet CBP80 im Zellkern einen Schutz- und Steuerkomplex.
CBP80 hilft auch dabei, sogenannte miRNAs zu bilden – das sind kleine Steuer-RNAs, die andere Gene regulieren. Eine davon, miR159, beeinflusst ein Gen namens MYB33. Dieses MYB33 sorgt dafür, dass Pflanzen auf das Hormon Abscisinsäure (ABA) reagieren. ABA hilft der Pflanze bei Trockenheit, indem es die Spaltöffnungen (Stomata) in den Blättern schließen lässt – so verdunstet weniger Wasser.
Wenn das Gen CBP80 mithilfe von CRISPR verändert wird, entsteht weniger miR159. Dadurch bleibt mehr MYB33 aktiv, und die Pflanze reagiert empfindlicher auf ABA. Das bedeutet: Die Spaltöffnungen schließen sich schneller, sobald Trockenheit droht – und die Pflanze verliert weniger Wasser.
Dieses Prinzip wurde ursprünglich bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana entdeckt. Dort zeigte sich: Pflanzen ohne funktionierendes CBP80 reagieren deutlich schneller auf Trockenstress.
Genomeditierung in tetraploider Kartoffel
Das argentinische Team übertrug diesen Ansatz auf die tetraploide Kartoffelsorte ‚Spunta‘ – eine besondere Herausforderung, da jedes Gen hier vierfach vorliegt. Um den gewünschten Effekt zu erzielen, mussten mindestens zwei bis drei der vier CBP80-Genkopien gleichzeitig verändert werden. Dies gelang mithilfe gezielter CRISPR/Cas9-Eingriffe. Zwei der entstandenen Linien – CBP80-32 und CBP80-39 – wurden intensiv untersucht. Dabei zeigte sich: Beide Linien wiesen gezielte kleine Mutationen im Gen auf, die zu einem teilweisen Funktionsverlust führten, ohne das Pflanzenwachstum grundlegend zu beeinträchtigen.
Blätter bleiben grün, Wasser bleibt drin
Weltweite Bedeutung der Kartoffel: In roten Regionen wird die Knolle besonders intensiv angebaut, in gelben Regionen moderat. Angesichts zunehmender Trockenphasen steigt weltweit der Bedarf an klimaresilienten Sorten.
Bildquelle: © Ralf Roletschek, eigenes Werk / Wikipedia, GNU FDL 1.2
Die editierten Kartoffellinien CBP80-32 und CBP80-39 wurden unter zwei Bedingungen getestet: mit normaler Bewässerung und unter kontrolliertem Wassermangel. Besonders auffällig war ihr Verhalten während der Trockenperiode: Während die Blätter des nicht editierten Wildtyps nach mehreren Wochen deutlich welkten und kaum noch grünes Blattwerk zeigten, behielten die editierten Linien deutlich mehr Blattfläche. Die sogenannte Canopy Cover – also die grüne Bodenabdeckung durch Blätter – blieb bei ihnen auch unter Trockenheit länger erhalten. Das zeigt, dass die Pflanzen weiterhin photosynthetisch aktiv waren und ihr Wachstum weniger stark einschränkten.
Auch bei der Transpiration, also der Wasserverdunstung über die Blätter, gab es klare Unterschiede: Unter Trockenstress sank die tägliche Transpiration beim Wildtyp um rund 57 %, bei den editierten Linien sogar um mehr als 70 %. Trotzdem war ihr kumulativer Wasserumsatz über die gesamte Trocken- und Erholungsphase hinweg höher: CBP80-32 und CBP80-39 verdunsteten insgesamt 3,0 bis 3,6 Liter Wasser pro Pflanze, während der Wildtyp nur auf etwa 1,7 Liter kam.
Das klingt zunächst widersprüchlich, ist aber ein entscheidender Vorteil: Die editierten Linien konnten durch ihre feinere Reaktion auf den Wasserstress länger aktiv bleiben, bevor sie die Transpiration drosselten. Sie schöpften die verfügbare Bodenfeuchte besser aus, während der Wildtyp bereits früh auf „Notbetrieb“ umschaltete. Nach der Wiederbewässerung erholten sich die editierten Pflanzen zudem schneller – ihr Wasserverbrauch stieg wieder deutlich an, was auf eine gute Regenerationsfähigkeit hinweist.
Genexpression verändert – Stressantwort optimiert
Die Forschenden analysierten zudem die Aktivität mehrerer Gene, die für die Dürretoleranz wichtig sind. In den editierten Linien war die Expression von CBP80 erwartungsgemäß reduziert. Auffällig war auch die veränderte Regulation von P5CS (Prolin-Biosynthese) und PDH (Prolinabbau), zwei Genen, die mit der Produktion des Schutzmoleküls Prolin zusammenhängen. Während im Wildtyp unter Trockenheit stark Prolin gebildet wurde, blieb dieser Effekt bei den editierten Linien moderat – ein Hinweis darauf, dass sie weniger stark gestresst waren.
Ein besonders interessanter Effekt zeigte sich beim Transkriptionsfaktor MYB33, der für ABA-abhängige Schutzreaktionen verantwortlich ist. In den editierten Linien war MYB33 sowohl unter normalen Bedingungen als auch unter Trockenheit deutlich stärker exprimiert als im Wildtyp. Diese gesteigerte Grundaktivität könnte den Pflanzen helfen, schneller auf Wassermangel zu reagieren – ein sogenannter Priming-Effekt.
Mikroskopische Aufnahme der Spaltöffnungen (Stomata) auf der Blattunterseite: Die editierten Kartoffellinien CBP80‑39 und CBP80‑32 (Mitte und rechts) zeigen eine deutlich höhere Stomatadichte im Vergleich zum nicht editierten Wildtyp (links).
Bildquelle: © Decima Oneto, C. A. et al. (2025): CRISPR/Cas9 editing of CBP80 enhances drought tolerance in potato (Solanum tuberosum). Frontiers in Plant Science, CC BY 4.0
Stomatadichte steigt – Wasserverlust sinkt trotzdem
Eine zusätzliche Überraschung bot die Analyse der Spaltöffnungen: Die editierten Pflanzen hatten mehr Stomata pro mm² Blattfläche als der Wildtyp – bis zu 150 gegenüber nur 90. Doch anstatt mehr Wasser zu verlieren, konnten die Pflanzen durch ihre höhere ABA-Sensitivität die Spaltöffnungen besser regulieren und sich so flexibel an Trockenheit anpassen. Offenbar ist nicht allein die Anzahl entscheidend, sondern die Fähigkeit zur schnellen Reaktion auf Umweltreize.
Mehr Knollen trotz Trockenstress
Der entscheidende Maßstab für den Züchtungserfolg ist der Ertrag. Auch hier zeigten sich klare Vorteile: Unter optimalen Bedingungen waren die Erträge aller Linien vergleichbar. Unter Wasserstress jedoch verlor der Wildtyp rund 42 % seines Ertrags. Die editierten Linien hielten deutlich besser stand: CBP80-32 verlor nur knapp 28 %, CBP80-39 rund 31 %. Auch die Biomasse und die Wasserverwertung zeigten insgesamt günstigere Werte. Die Zusammenhänge zwischen Wasserverbrauch, Blattfläche und Ertrag waren eng korreliert – ein Zeichen für ein gut abgestimmtes physiologisches System.
Feldversuche und molekulare Tiefenanalyse geplant
Die Studie ist der Auftakt zu weiterführenden Arbeiten. Bereits jetzt werden die editierten Linien in Feldversuchen getestet, um zu prüfen, ob sich die beobachteten Vorteile auch unter realen Umweltbedingungen bestätigen – etwa bei wechselnden Temperaturen, Lichtverhältnissen oder Böden. Außerdem wollen die Forschenden mithilfe von Transkriptom- und Metabolomanalysen genauer untersuchen, welche molekularen Signalnetzwerke durch die CBP80-Editierung beeinflusst werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei den ABA-abhängigen Signalwegen sowie der Osmoregulation durch Prolin.
Zudem ist geplant, die Konzentration von ABA und Prolin direkt in den Pflanzen zu messen, um die molekularen Veränderungen nicht nur über Genaktivität, sondern auch über Stoffwechselprodukte zu erfassen. Diese Erkenntnisse könnten helfen, weitere Zielgene für die Verbesserung der Trockenresistenz in Kartoffeln und anderen Kulturarten zu identifizieren.
Quelle:
Decima Oneto, C. A. et al. (2025): CRISPR/Cas9 editing of CBP80 enhances drought tolerance in potato (Solanum tuberosum). In: Frontiers in Plant Science, Vol. 16, 2025. doi: 10.3389/fpls.2025.1598947
Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:
- Reiche Ernten in heißen Zeiten - Das Projekt EpiPotato will klimaresistente Kartoffeln erzeugen
- Schon gewusst? Kartoffeln droht eine Krautfäule-Epidemie - Chemischer Pflanzenschutz kommt an seine Grenzen – Genschere als Hoffnungsträger
- Virus-induzierte Genomeditierung bei Nachtschattengewächsen - Schneller zu transgenfreien Sorten
Titelbild: Kartoffeln im Klimastress: Neue genomeditierte Sorten zeigen auch bei Trockenheit grünes Blattwerk und stabile Erträge – ein vielversprechender Ansatz für eine klimaresiliente Landwirtschaft. (Bildquelle: © kallerna, eigenes Werk /Wikipedia, CC BY-SA 3.0)
