Biologische Eingrenzung

Männlich steril: Pflanzen ohne Pollen

Natürlicherweise wird der Pollen von den männlichen Blütenteilen einer Pflanze erzeugt. Eine gezielte Pollensterilität könnte ein wirksames Mittel sein, bei gv-Pflanzen die Verbreitung neu eingeführter Fremdgene zu unterbinden. Inzwischen gibt es verschiedene gentechnische Ansätze, über eine Unterdrückung der Pollenbildung "männlich sterile" Pflanzen zu erzeugen.

Kein Pollen, keine Ausbreitung. Pollen entsteht in den männlichen Blütenteil, den Staubfäden (Antheren). Wird die Bildung von Pollen verhindert, sind die Pflanzen männlich steril - sie können sich nicht mehr fortpflanzen.

Um die Pollenbildung gezielt zu unterdrücken, sind zwei Elemente erforderlich:

Ein in der Pflanze vorhandenes Gen, dessen Aktivität für die Funktion oder die Entwicklung von Zellen (bzw. Pollen) erforderlich ist, wird "abgeschaltet". Denkbar ist auch die Einführung eines neues Gens, das zu Störungen wichtiger Vorgänge in der Zelle führt.
Damit dieser Effekt ausschließlich auf die für die Pollenbildung beteiligten Zellen beschränkt bleibt, werden die jeweiligen Genkonstrukte an gewebespezifische Promtoren gekoppelt: Diese bewirken, dass die Genaktivität nur in bestimmten Zelltypen "anspringt".

Das erste Konzept für männlich sterile Pflanzen wurde bereits vor fünfzehn Jahren entwickelt. Damals ging es darum, über sterile Pflanzen einfacher Hybridsaatgut züchten zu können. Gentechnisch veränderter Raps, unter Anwendung dieses Konzepts entwickelt, wird seit vielen Jahren in Nordamerika angebaut.

Heute können damit pollensterile Pflanzen erzeugt werden, um deren Fortpflanzen und Ausbreitung in der Umwelt zu unterbinden. Inzwischen wird an weiteren Konzepten gearbeitet.

Ausschalten eines antheren-spezifischen Enzyms

Ein neuer Ansatz ist die Hemmung eines für die Pollenentwicklung essentiellen Enzyms namens Invertase. Es handelt sich um eine antheren-spezifische Invertase, die das Saccharose (Haushaltszucker, ein Disaccharid) in die Einfachzucker Fructose und Glucose spaltet, zwei für die Pollenentwicklung wichtige Kohlenstoffquellen. Ohne die Aufspaltung der Saccharose wird dem Pollen die Nahrungsgrundlage entzogen und er kann sich nicht voll entwickeln: Die Pflanze ist steril.

Um die Aktivität der Invertase einzuschränken oder auszuschalten, können zwei Methoden angewandt werden: Mit Hilfe der Antisense‑Technik kann das für die Invertase verantwortliche Gen "abgeschaltet" werden, mit einem Invertase-Inhibitor wird hingegen die Wirkung des Enzyms direkt blockiert.

(1) Antisense-Hemmung: Die genetische "Bauanleitung" für die Bildung eines Proteins (in diesem Fall das Enzym Invertase) wird an der entsprechenden Stelle im Genom abgelesen und als Kopie (Boten‑RNA oder mRNA) zu den "Proteinfabriken" der Zellen, den Ribosomen , transportiert. Dieser Vorgang lässt sich mit Hilfe spezieller Genkonstrukte unterdrücken. Man nutzt einen natürlichen Mechanismus (RNA‑Interferenz ), mit dessen Hilfe sich Pflanzen gegen Viren zur Wehr setzen und dabei die eigene, natürlicherweise vorhandene Boten-RNA als "fremd" ansehen und zerstören Damit dies nur in denjenigen Zellen passiert, die für die Pollenentwicklung zuständig sind, wird das Antisense-Konstrukt - etwa das Invertase-Gen- mit einem gewebespezifischen Promotor versehen. (siehe Abbildung oben)

2) Enzym-Inhibitoren: Die Aktivität von Enzymen lässt sich durch Substanzen hemmen, die in ihrer chemischen Struktur dem eigentlichen Substrat ähneln – auch sie können an das Enzym binden, werden aber nicht verarbeitet. Mit spezifischen "Inhibitoren" kann das jeweilige Enzym gezielt blockiert werden.

Um die Pollenentwicklung zu unterbinden kann beispielsweise die pollenspezifische Invertase mit einem zur Saccharose ähnlichen Substrat blockiert werden. Die Invertase kann in diesem Fall keine Saccharose mehr umsetzen, da der Inhibitor fest mit dem Enzym verbunden bleibt. Wird das Gen für den Invertase-Inhibitor in eine Pflanze eingeführt, diese bilden diese den Inhibitor und blockiert damit die Invertase blockiert: Die Pollenbildung wird unterstückt. (siehe Abbildung oben)

In einem aktuellen Forschungsprojekt werden die beiden beschrieben Methoden an den Kulturarten Raps und Mais angewendet und deren Praxistauglichkeit überprüft.

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