Wie zuverlässig ist der Einschluss von Transgenen in den Plastiden gentechnisch veränderter Pflanzen?

(2008 - 2011) Department Biologie I, Fakultät für Biologie, Ludwig-Maximilians-Universität München

Thema

Neue Forschungsansätze zielen darauf ab, Pflanzen nicht im Zellkern, sondern in den Plastiden gentechnisch zu verändern. Plastiden sind kleine Einheiten in der Pflanzenzelle, die über eigene DNA verfügen. Einer der Vorteile der Plastidentransformation : Die Erbinformation der Plastiden wird nicht über den Pollen weitergegeben, eine mögliche Ausbreitung der neu eingebrachten Gene damit verhindert und das Erbgut in der Pflanze biologisch eingeschlossen (biologisches Confinement ).

Ziel dieses Projektes ist es, die Zuverlässigkeit der Plastidentranformation als Confinement-System zu überprüfen. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Klärung der molekulargenetischen Hintergründe einer (ungewollten) Auskreuzung von Plastidengenen.

Versuchsbeschreibung

Verbreitung von Plastiden-DNA über den Pollen

Aus Voruntersuchungen ist bekannt, dass eine Weitergabe von Plastiden-DNA über den Pollen nicht zu hundert Prozent ausgeschlossen werden kann. So wurde im Labor festgestellt, dass Plastiden-DNA (mit sehr geringer Häufigkeit) in die Kern-DNA der Pflanzenzelle wandern kann. Außerdem kommt es vor, dass Pflanzen, die Plastiden-DNA normalerweise nur mütterlich vererben, sehr selten auch eine väterliche Vererbung, d.h. über den Pollen, zulassen. Diese für ein Confinement-System unerwünschte "Undichtigkeit" soll quantifiziert und auf ihre genetischen und zellbiologischen Hintergründe untersucht werden.

Grundlagenforschung an Mutanten mit erhöhter väterlicher Plastiden-Vererbung

Die normalerweise bei Pflanzen vorliegende Vererbung von Plastiden-DNA über den rein mütterlichen Weg liegt darin begründet, dass während der Pollenentwicklung die Plastiden-DNA in den generativen Pollenzellen abgebaut wird. Dieser Prozess wird vermutlich nicht spontan eintreten, sondern unterliegt genetischen Faktoren. Mithilfe von Mutanten, die eine erhöhte väterliche Plastiden-Vererbung aufweisen, sollen die genetischen Faktoren ermittelt und untersucht werden. Sind diese Faktoren bekannt, könnten langfristig Pflanzen erzeugt werden, in denen diese genetischen Faktoren dahingehend verändert werden, dass das Ereignis "Pollentransfer von Plastiden-DNA" noch weiter reduziert werden kann.

Auskreuzungsexperimente

Um das (unerwünschte) Ereignis eines Pollentransfers von Plastiden-DNA nachzuweisen, werden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe der Universität Rostock Kreuzungsexperimente durchgeführt.

Auskreuzungsversuche
A: Pollenspenderpflanze (Vater). Die Plastiden (rot) sind mit einem Markergen ausgestattet.
B: Empfängerpflanze (Mutter), Wildtyp-Linie mit unveränderten Plastiden (grün)
C: Nachkommen der Wildtyp-Linie. Eine Plastide (rot) wurde über den Pollen vererbt.

Die Kreuzungen werden mit den Modellpflanzen Petunie und Arabidopsis vorgenommen, da erst gegen Mitte/Ende des Forschungsprojektes transplastomische Raps- und Maislinien zur Verfügung stehen werden.

Als Empfängerpflanzen dienen Wildtyp -Linien (Mutterpflanzen). Daneben werden Pollenspender-Linien ausgepflanzt. Diese Linien sind mit Markergenen ausgestattet. Die Arabidopsis-Linien verfügen über eine natürliche Herbizidresistenz , die mittels Punktmutation im Plastidengenom erzeugt wurde. Die Petunien-Linien sind gentechnisch verändert und tragen im Plastidengenom das Markergen für eine Antibiotikaresistenz (Streptomycin/Spectinomycin).

Die Kreuzungsnachkommen der Wildtyp-Linien werden phänotypisch auf das Vorhandensein der Markergene untersucht. Ist das Markergen in den Nachkommen feststellbar, hat ein Transfer von Plastiden-DNA über den Pollen stattgefunden.

Für das dritte Versuchsjahr sind Auskreuzungsversuche und eine Quantifizierung der ungewollten Verbreitung von Plastiden-DNA bei Raps geplant.

Die Auskreuzungsversuche werden unter Gewächshaus- und Freilandbedingungen am Agrobiotechnikum in Groß Lüsewitz unter Federführung der Arbeitsgruppe Broer, Uni Rostock durchgeführt

Das Projekt ist Teil des Verbundprojektes CONFICO "Entwicklung und Prüfung von Plastidentransformation als Confinement-System bei Raps und Mais". Beteiligt sind der Lehrstuhl für Botanik (Prof. Dr. Dario Leister), die Arbeitsgruppe für Zellbiologie und Zellkultur (Prof. Dr. Hans-Ulrich Koop) der Universität München, der Lehrstuhl für Genetik (Prof. Dr. Alfons Gierl) der Technischen Universität München und der Lehrstuhl für Agrobiotechnologie (Prof. Dr. Inge Broer) der Universität Rostock.