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Grüne Gentechnik

Amylopektin-Kartoffel ohne Markergene

24.08.2007 | Autor / Redakteur: Michael Reichmann* / Ilka Ottleben

Abb. 1 Stärkekornfärbungen mit Lugols-Lösung. Isolierte Stärkekörner der Amylopektin-Kartoffel der LfL werden mit Lugols-Lösung rot-braun gefärbt. Der Grad der Färbung weist auf einen gleichmäßig hohen Gehalt von mehr als 99 Prozent Amylopektin in den Stärkekörnern.
Abb. 1 Stärkekornfärbungen mit Lugols-Lösung. Isolierte Stärkekörner der Amylopektin-Kartoffel der LfL werden mit Lugols-Lösung rot-braun gefärbt. Der Grad der Färbung weist auf einen gleichmäßig hohen Gehalt von mehr als 99 Prozent Amylopektin in den Stärkekörnern.

Landwirtschaftliche Kulturen sind spezialisierte Züchtungsprodukte mit neu kombinierten Genen. Die moderne Pflanzenzüchtung nutzt molekulargenetische Verfahren, um Gene zu verändern, zu übertragen oder ihre Intergration ins pflanzliche Genom zu überprüfen. Freisinger Forscher haben nun eine besondere Stärkekartoffel (Amylopektin-Kartoffel) entwickelt, die keine Markergene mehr enthält.

Nach kontrollierter Befruchtung einer geeigneten Mutterpflanze mit Pollen viel versprechender Vaterpflanzen suchen Züchter unter vielen Kreuzungsabkömmlingen neue, günstige Merkmalskombinationen. Auf diese Weise wird auf neu eingebaute Gensequenzen selektiert, welche z.B. die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schädlingen erhöhen. Bei klassischen Züchtungsansätzen erfolgt dieser Prozess nach den bekannten Vererbungsregeln, d.h. die Kombination von Erbanlagen wird dem Zufall überlassen. In aufwändig angelegten Zuchtgärten müssen sich die neuen Pflanzen dann bewähren. Unter verschiedenen Umweltbedingungen und über mehrere Jahre hinweg evaluieren Züchter das Wachstum der Pflanzen. Nach etwa zehn Jahren ist eine Sorte mit neuer Genausstattung entwickelt.

Der Mangel an Präzision bei der Einkreuzung gewünschter Anlagen wird heutzutage durch die Anwendung molekularbiologischer Nachweisverfahren aufgewogen. In genomanalytischen Ansätzen verrechnet man die Anwesenheit charakteristischer kurzer DNA-Abschnitte mit einer entsprechenden Merkmalsausprägung. Der Züchter ist dann im Stande, in Ergänzung oder im Idealfall sogar ohne aufwändige Prüfungen im Feld oder Gewächshaus genetisch festgelegte Eigenschaften sicher nachzuweisen. Die Diagnose in einem frühen Wachstumszustand beschleunigt so den Züchtungsprozess. Mit einem wissenschaftlichen Rückkreuzungsdesign kann auch der Wunsch nach Begrenzung der übertragenen Gensequenzen auf ein funktional notwendiges Maß realisiert werden. Leider sind besonders vegetativ vermehrte Kulturpflanzen wie die Kartoffel für solche Züchtungsstrategien wenig geeignet, da genetisch aufspaltende Produkte entstehen, welche die ursprünglichen Funktionen der Ausgangspflanzen verloren haben.

Hier liegt ein wichtiger Ansatzpunkt der Pflanzenzüchtung mit gentechnischen Methoden. Der besondere Vorteil: Bekannte Gensequenzen werden während der vegetativen Entwicklung der Pflanze übertragen. Das Wachstum gentechnisch veränderter Pflanzen kann ohne Aufspaltung der Gene erfolgen. Das eingebrachte Merkmal kann sich stabil ausprägen, und die wertvolle genetische Zusammensetzung der Pflanze bleibt erhalten. Im Gegensatz zur klassischen Züchtung sind nicht nur die ursächlichen Sequenzen der eingebrachten Merkmale bekannt, sondern damit auch eindeutige Nachweismethoden für das neue Pflanzenprodukt verfügbar. Das spielt einerseits eine wichtige Rolle bei Fragen gewerblicher Schutzrechte, andererseits bei der gesetzlichen Regelung und Umsetzung der neuen Produkte für eine Landwirtschaft mit unterschiedlichen Anbauverfahren.

Grüne Gentechnik – das politische Umfeld

Während die Gentechnik in der Grundlagenforschung schon lange anerkannt und angewandt wird, in der Medizin für die Diagnostik unverzichtbar ist und in der Industrie zum Standard avanciert, werden in Deutschland die möglichen landwirtschaftlichen und ökologischen Vorteile dieser Technologie nicht genutzt. Dieser Trend wird sicherlich noch die nächsten Jahre anhalten. Mit ein Grund für festgefahrene Diskussionen über die Grüne Gentechnik ist vermutlich auch die Verwendung artfremder Markergene, die zusammen mit dem Genabschnitt von Interesse übertragen werden. Die technisch notwendigen Markergene erfüllen nach der erleichterten Identifikation eines Gentransferereignisses keine weitere Funktion. Durch eine großflächige landwirtschaftliche Nutzung transgener Pflanzen besteht ein relatives Risiko der Auskreuzung solcher Markergene in dem Umfang, wie sich jede andere Gensequenz der Nutzpflanze ausbreiten kann. Bislang wurde ein solches Ereignis unter Praxisbedingungen nicht nachgewiesen. Die Richtlinie der Europäischen Gemeinschaft 2001/18/EU strebt dennoch nach dem Vorsorgeprinzip die Vermeidung von klinisch relevanten Resistenzgenen bei gentechnisch veränderten Pflanzen an.

Kürzlich wurde diesbezüglich über den Einsatz des Kanamycin-Resistenzgens nptII als Markergen diskutiert. Die europäische Arzneimittelbehörde (EMEA) betont dabei die Bedeutung von Kanamycin für die Human- und Veterinärmedizin. Der Nutzen dieses Antibiotikums für die Gesundheit von Mensch und Tier steht möglicherweise einer Anwendung des entsprechenden Resistenzgens entgegen. Die europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) sieht dagegen kein erhöhtes Risiko durch transgene Pflanzen mit nptII, da die Ausbreitung durch den Anbau von nptII-haltigen Pflanzen als sehr gering eingeschätzt wird. Entsprechende Resistenzgene kommen auf Grund der breiten Nutzung von Antibiotika im (veterinär-) medizinischen Bereich schon in der Umwelt vor. Solche in Mikroorganismen vorhandenen Resistenzen können mit ungleich höherer Wahrscheinlichkeit zur Verbreitung führen. In diesem Spannungsfeld ist bis auf weiteres keine Einigung zu erwarten. Dennoch soll erstmals seit 1998 wieder eine gentechnisch veränderte Pflanze zum Anbau in der EU zugelassen werden, die Amylopektin-Kartoffel Amflora der BASF.

Ohne Markergene – die Amylopektin-Kartoffel der LfL

Auch die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) hat eine besondere Stärkekartoffel mit reinem Amylopektin in den Knollen entwickelt (Abb. 1). Die Stärke der Knollen ist nur noch aus verzweigten Makromolekülen aufgebaut, lineare Amyloseketten sind nicht mehr enthalten. Die hochwertige Stärke dieser Kartoffeln ist besonders für die Papier- und Textilindustrie geeignet, wenn beim Produktionsprozess Klarheit und Stabilität der Stärkepaste gefordert ist. Die Größenordnung der Kartoffelstärkeproduktion ist beachtlich. In Bayern wurde im Jahr 2006 Stärke aus über 550 000 Tonnen Kartoffeln produziert. Die notwendigen großtechnischen Verfahren zur Reinigung und Veredelung der Stärke könnten mit günstiger Ökobilanz durchgeführt werden, denn mit Amylopektin-Kartoffeln kann Chemie eingespart werden. Wenn man für Amylopektin nur einen zehnprozentigen Produktionsanteil am bayerischen Gesamtstärkemarkt annimmt, wird in einer Stärkefabrik täglich die Abwassermenge einer Kleinstadt vermieden. Dennoch ist unter den gegebenen gesellschaftlichen, politischen und gesetzlichen Vorgaben ein großflächiger Anbau einer solchen Kartoffel nur schwer vorstellbar.

Die Amylopektin-Kartoffel der LfL enthält keine Markergene mehr – ein wesentlicher Unterschied zu Amflora. Die Forschung zur Herstellung der ersten markerfreien Kartoffel in Deutschland wurde von Grund auf am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung des LfL durchgeführt. Anstelle alternative, klinisch nicht bedeutsame Markergene zu verwenden, wurde bei der Züchtung vollständig auf Markergene verzichtet. Das speziell für Kartoffeln entwickelte Genkonstrukt pMFlp9-1 trägt eine Transfer-DNA (T-DNA) ohne artfremde Gene (Abb. 2). Diese enthält Sequenzabschnitte des kartoffeleigenen Gens der granulär gebundenen Stärkesynthase GBSS in Anti-sense-Orientierung zur Optimierung des Stärkestoffwechsels. Die Übertragung der gewünschten DNA erfolgte mit langjährig etablierten Komponenten in einem bewährten Agrobakterien-System. Markerfreie Pflanzenlinien wurden im Labor isoliert, und bei einigen konnte die Anreicherung von Amylopektin in den Stärkekörnern festgestellt werden. Die besonders interessante Linie #1332 enthält nur T-DNA aus pMFlp9-1 und prägt seit Jahren stabil die gewünschte Stärkeeigenschaft aus. Mit gleich bleibender Qualität bewähren sich die Pflanzen auf mittlerweile zwei Versuchsstandorten in Bayern (BVL-Az. 6786-01-0150 und 6786-01-0170).

Zukünftigen Forschungsschwerpunkte

Ungeachtet des weltweiten Erfolges tut sich die Grüne Gentechnik in Deutschland schwer. Unklare Haftungsregeln machen notwendige Freilandversuche zurzeit nahezu unmöglich. Die angewandte, mit öffentlichen Mitteln geförderte Forschung läuft weiterhin Gefahr, den Anschluss zu verlieren. Die Folge ist, dass unabhängige, wissenschaftliche Aussagen in Zukunft nicht mehr möglich sein werden. Im Grunde können dann nur noch weltweit agierende Konzerne die geforderten Auflagen, das Know-how und die damit verbundenen Investitionen aufbringen. Die Grüne Gentechnik liegt für die eher mittelständischen Züchtungsunternehmen in Deutschland brach.

Vor diesem Hintergrund muss die Forschung Alternativen für den notwendigen Züchtungsfortschritt entwickeln. Rekombinase-Enzyme werden erfolgreich zur Entfernung von unerwünschten Markergenen eingesetzt. An der LfL wurden Rekombinase-vermittelte, markerfreie Amylopektin-Kartoffeln erzeugt (Abb. 3). Diese weiterentwickelte Technologie kann sogar zum Einbau wertvoller Gene an einem vorgegebenen Ort im Pflanzengenom führen. Auch Nukleasen können für neue Züchtungsansätze angewendet werden. Sie erhöhen die homologe Rekombinationsfähigkeit und ermöglichen dadurch Gentherapie bei Pflanzen. Schon heute gibt es Verfahren mit synthetischen Nukleotiden, die den präzisen Austausch von Basenpaaren vermitteln. Die mit dem Medizin-Nobelpreis 2006 prämierte RNA-Interferenz-Technologie (RNAi) wird ein besonders interessantes Einsatzgebiet in der Pflanzenzüchtung finden (Abb. 4). Bei der RNA-Interferenz führt das Erkennen doppelsträngiger RNA in der Zelle zu einem Abbau (Dicer) der RNA zu kleinen Molekülen mit vielfältigen Funktionen. Einerseits werden entsprechende Boten-RNAs (mRNAs) erkannt. Argonauten-Proteine (Ago) führen zum Schnitt und damit zur Inaktivierung der Genexpression. Andererseits kann die Bindung kleiner RNAs an regulatorische Regionen der mRNA die Übersetzung in ein funktionelles Proteinprodukt behindern. Auch die Lokalisation von mRNA kann betroffen sein. Kleine RNAs führen in Pflanzen zur Signalweiterleitung über die ganze Pflanze hinweg. RNAi kann auch direkt in die Strukturausbildung des Chromatins im Zellkern eingreifen. Ein Ziel ist die Modifikation am Genort ohne Änderung der DNA-Sequenzabfolge durch restriktive Verpackung des Chromatins. Modifikationen der DNA über Methylierung sind ebenso möglich (Me‘ase). Diese Effekte können gezielt nutzbar gemacht werden, um die Aktivität einzelner Gene steuern zu können.

Fazit

Die neuen technologischen Möglichkeiten stellen eine wesentliche Weiterentwicklung dar. Die erforderlichen Konstrukte enthalten keinen unnötigen Ballast wie Markergene mehr. Gezielte Änderungen sind möglich, und die zu übertragenen DNA-Sequenzen werden stark reduziert. Während der minimierte Gentransfer artfremder DNA noch unter das Gentechnikgesetz fällt, führen gezielte Mutageneseansätze nicht zu gentechnisch veränderten Pflanzen. Für eine praktische Nutzung sind vor allem die zuletzt genannten Ansätze viel versprechend. Es besteht allerdings hoher Forschungsbedarf, um die Erkenntnisse der Grundlagenforschung für alle zugänglich und transparent zu machen.

*Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, 85354 Freising

 

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