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Genome Editing für bessere Pflanzenzucht Auf links gedrehte Gene per Genschere umkehren

| Redakteur: Christian Lüttmann

In den Chromosomen ist die Erbinformation wie an einer Perlenkette gut sortiert gespeichert. Doch Mutationen können die Ordnung durcheinanderbringen, etwa indem sie einen Teil der Kette umkehren. Solche Inversionen erschweren beispielsweise in Kulturpflanzen die Züchtung, weil ein Austausch zwischen originalen und invertierten Genen nicht mehr möglich ist. Mithilfe der Genschere CRISPR/Cas haben KIT-Forscher nun erstmals solch eine Inversion rückgängig gemacht.

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Eine Inversion bei der Ackerschmalwand (Hintergrund) lässt sich mit CRISPR/Cas rückgängig machen (l.), um den Austausch von Genen (r.) im betroffenen Abschnitt wiederzubeleben.
Eine Inversion bei der Ackerschmalwand (Hintergrund) lässt sich mit CRISPR/Cas rückgängig machen (l.), um den Austausch von Genen (r.) im betroffenen Abschnitt wiederzubeleben.
(Bild: Michelle Rönspies, KIT)

Karlsruhe – Vor rund 5000 Jahren trat bei der Wildpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) eine Veränderung der genetischen Information ein: Auf dem Chromosom 4 der Pflanze kam es zu einer so genannten Inversion: Das Chromosom brach an zwei Stellen und wurde wieder zusammengefügt; der herausgebrochene Abschnitt wurde allerdings um 180 Grad gedreht wieder eingesetzt. Dadurch kehrte sich die Reihenfolge der Gene auf diesem Chromosomenabschnitt um.

Diese Chromosomenmutation hat sich bis heute weit verbreitet und ist in der Forschung unter dem Namen „Knob hk4S“ bekannt. Sie zeigt beispielhaft, dass die Evolution das Erbgut von Lebewesen nicht nur verändern, sondern teilweise auch über lange Zeit festlegen kann. Und das hat Folgen, wie Molekularbiologe Prof. Holger Puchta vom KIT erklärt: „In invertierten Abschnitten kann bei der Vererbung kein Austausch von Genen zwischen homologen Chromosomen stattfinden.“ Er hat mit seinem Team am KIT einen Weg erprobt, die Geninversion gezielt rückgängig zu machen. Dies könnte ein wichtiges Instrument für die Pflanzenzüchtung sein.

Hindernis der Pflanzenzüchtung aufheben

Inversionen betreffen nicht nur die Wildpflanze Ackerschmalwand, die dank ihres kleinen und vollständig entschlüsselten Genoms und ihrer niedrigen Chromosomenzahl in der Genetik als Modellorganismus dient. Vielmehr sind Inversionen auch häufig bei Kulturpflanzen zu finden. Sie bilden ein Hindernis für die Züchtung, die ja auf Erbgutveränderungen zurückgreift, um Pflanzen möglichst ertragreich, geschmacksintensiv und widerstandsfähig gegenüber Krankheiten, Schädlingen und extremen klimatischen Bedingungen zu machen.

Den Wissenschaftlern vom Lehrstuhl Molekularbiologie und Biochemie am Botanischen Institut des KIT ist es nun erstmals gelungen, natürlich eingetretene Inversionen rückgängig zu machen. „Wir haben die Einsatzmöglichkeiten der molekularen Schere CRISPR/Cas noch einmal wesentlich erweitert“, sagt Puchta. „Wir können damit nicht nur Arme zwischen Chromosomen austauschen, sondern nun auch die Abfolge der Gene innerhalb eines Chromosoms verändern.“

Mit ihrer Forschung haben die KIT-Wissenschaftler erstmalig demonstriert, dass sie Vererbungsvorgänge direkt steuern können. „Wir konnten so genetische Austausche in einem Bereich erreichen, wo das bisher nicht möglich war. Damit haben wir das Chromosome Engineering endgültig als eine neue Art der Pflanzenzüchtung etabliert“, erläutert Studienleiter Puchta.

Gezielte Änderungen der Pflanzen-DNA

In der aktuellen Studie zeigte das Forscherteam am KIT anhand der prominenten natürlichen Inversion, „Knob hk4S“ der Ackerschmalwand, wie sich die Umkehrung rückgängig machen lässt und somit genetische Austausche bei der Züchtung wieder ermöglicht werden. Die Arbeit erfolgte in Kooperation mit Forschern um Prof. Andreas Houben vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und Prof. Paul Fransz von der Universität Amsterdam.

Mit ihren Erkenntnissen hoffen die Wissenschaftler, auch neue Inversionen per CRISPR/Cas zu erzeugen– ein weiterer Schritt, um bei der Pflanzenzüchtung erwünschte Eigenschaften zu kombinieren und unerwünschte zu eliminieren.

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Die Genschere CRISPR/Cas

Bei CRISPR (steht für Clustered Regularly Interspaced ShortPalindromic Repeats) handelt es sich um einen bestimmten Abschnitt auf der DNA; Cas ist ein Enzym, das diesen Abschnitt erkennt und die DNA genau dort schneidet, um Gene zu entfernen, einzufügen oder auszutauschen sowie Chromosomen neu zusammenzusetzen und erstmals auch die Abfolge der Gene auf ihnen zu verändern. Dieses Verfahren ist eine Technik des Genome Editings, die auch als „Molekulare Schere“ oder „Genschere“ bekannt ist

Originalpublikation: Carla Schmidt, Paul Fransz, Michelle Rönspies, Steven Dreissig, Jörg Fuchs, Stefan Heckmann, Andreas Houben & Holger Puchta: Changing local recombination patterns in Arabidopsis by CRISPR/Cas mediated chromosome engineering, Nature Communications volume 11, Article number: 4418 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-18277-z

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