02.02.2011

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Überdauerungspotenzial Cyanophycin-produzierender Kartoffeln

(2008 – 2011) Universität Rostock, Institut für Landnutzung (ILN)

Thema

Cyanophycin ist ein Biopolymer, das als Ersatz für das biologisch nicht abbaubare Polyacrylat für verschiedene industrielle Anwendungen genutzt werden kann. Die Cyanophycin-Synthese soll in gentechnisch veränderten Kartoffeln, die ganz normal auf dem Feld angebaut werden, passieren.

In dem vorliegenden Projekt wird untersucht, ob diese gentechnisch veränderten Kartoffelknollen durch die zusätzliche Eigenschaft der Cyanophycinproduktion möglicherweise besser überwintern können als konventionelle Knollen und dadurch eher in den Folgekulturen auftauchen.

Da die Anreicherung des Polypeptids Cyanophycin in den Kohlenhydratstoffwechsel der Kartoffeln eingreift - die Speicherung von Cyanophycin geschieht teilweise auf Kosten der Speicherung von Kohlenhydraten - enthalten die Knollen der gentechnisch veränderten Kartoffelpflanzen möglicherweise mehr kurzkettige Zucker als die der Wildtypkartoffeln. Dadurch könnte der Gefrierpunkt der interzellulären Flüssigkeit oder des Cytoplasmas niedriger sein und sich somit die Frostresistenz der gentechnisch veränderten Kartoffeln erhöhen. Ausfallkartoffeln könnten dann besser überwintern und sich im nächsten Jahr weitervermehren.

Ist die Frostresistenz der gentechnisch veränderten Kartoffeln unverändert, muss geklärt werden, ob die Verrottung der Ausfallkartoffeln ohne Beeinträchtigung des Ackerbodens abläuft, da Cyanophycin eine Substanz ist, die in natürlichen Böden nur selten vorkommt.

Folgende Fragestellungen werden untersucht:

• Welche der bereits transformierten Kartoffelpflanzen, die Cyanophycin produzieren, sind am besten für die Freisetzung geeignet?
• Führt die Veränderung der Inhaltsstoffe der transgenen Kartoffeln zu einer höheren Frostresistenz?
• Hat die Veränderung der Inhaltsstoffe der transgenen Kartoffeln veränderte Verrottungsprozesse zur Folge, die den Ackerboden beeinträchtigen könnten (z.B. durch eine Veränderung des pH-Werts)?

Versuchsbeschreibung

Identifizierung und Charakterisierung geeigneter Kartoffelpflanzen

Für die Freisetzung werden Kartoffelpflanzen benötigt, die das Fremdgen in möglichst geringer Kopienzahl und mit nur einem Integrationsort tragen. Die bereits vorhandenen Pflanzen werden mit der Southern Blot-Methode daraufhin untersucht und es werden zwei von ihnen ausgewählt.

Die ausgewählten Pflanzen werden im Gewächshaus über zwei Generationen angezogen, um zum einen ihre Eigenschaften mit denen der isogenen Sorte zu vergleichen und zum anderen die Merkmalsstabilität zu überprüfen. Dazu werden das Wachstumsverhalten der Kartoffelpflanzen sowie Phänotyp, Größe und Gewicht ihrer Knollen erfasst und der Cyanophycin- und Stärkegehalt der Knollen bestimmt.

Außerdem wird mit Hilfe der PCR-Methode der Gehalt an RNA für das neu eingeführte Gen - das Cyanophycinsynthetase-Gen - analysiert. Die Menge der RNA lässt auf die Aktivität des Gens schließen.

Frostresistenz und Verrottung der gentechnisch veränderten Kartoffeln

In jedem Versuchsjahr werden nach der Ernte Kartoffeln an zwei unterschiedlichen Standorten in zwei unterschiedlichen Tiefen (10 cm und 30 cm) vergraben. Während der Überwinterungsdauer von ca. sechs Monaten werden zu fünf Zeitpunkten von jedem Versuchspunkt 16 Knollen ausgegraben und Bodenproben genommen, die anschließend im Labor untersucht werden. U.a. werden der Gehalt an Wasser, Kohlenhydraten, Proteinen und Cyanophycin sowie der Gefrierpunkt und der pH-Wert der Interzellularflüssigkeit gemessen.

Ergebnisse

Identifizierung und Charakterisierung geeigneter Kartoffelpflanzen

Es wurden vier verschiedene transgene Kartoffelpflanzen für die Freisetzung ausgewählt. Zwei dieser Pflanzen (Events pPsbY-cphA_Te 12 und 23) bilden Cyanophycin mit einem Maximum von einem Prozent im Gewächshaus, die beiden anderen (Events B33-pPsbY-cphA_Te 16 und 39) bilden Cyanophycin nur in den Knollen mit einem Maximum von acht Prozent. Zum Vergleich werden die nah-isogene Kartoffelsorte Albatros sowie eine weitere konventionelle Sorte (Desireé) eingesetzt. Als zusätzliche Kontrolle dient eine transgene Kartoffel, in die nur das Markergen übertragen wurde.

Frostresistenz und Verrottung der gentechnisch veränderten Kartoffeln

Im Winter 2008/2009 wurden Kartoffelknollen der Events 12 und 23, der beiden konventionellen Sorten sowie der transgenen Kontrolle wie geplant vergraben und zu verschiedenen Zeitpunkten Proben genommen. Es zeigte sich, dass die Sorte Albatros deutlich weniger Frostschäden aufwies als die Sorte Desireé. Die beiden transgenen, Cyanophycin bildenden Kartoffeln waren beide deutlich anfälliger gegenüber den Winterbedingungen als ihre konventionelle Ausgangssorte Albatros.

Cyanophycin-Gehalt der Knollen. Im Verhältnis zur Trockenmasse stieg der Cyanophycin-Gehalt der Kartoffelknollen während der Überwinterung an. Das empfindlichste Event 12 wies den höchsten Cyanophycin-Gehalt auf. Ob sich dieser Zusammenhang, hoher Cyanophycingehalt und geringe Frostresistenz, bestätigt, muss in den Folgejahren weiter untersucht werden.

Zuckergehalt. Die Vermutung, dass Zucker von Pflanzen als „Frostschutzmittel“ eingesetzt werden, hat sich bislang nicht bestätigt, da die transgenen Knollen mit den höchsten Zuckerkonzentrationen auch die frostanfälligsten waren. Auch die konventionelle Vergleichssorte Desireé, die in den Bonituren als frostempfindlicher im Vergleich zu Albatros eingestuft wurde, zeigt einen höheren Gehalt an löslichen Zuckern.

Aktivität des Enzyms Peroxidase. Mit einer erhöhten Peroxidase-Aktivität reagiert die Pflanze auf Stress, sie wehrt damit z.B. Krankheitserreger ab. Mehr Peroxidase könnte dazu führen, dass die Stabilität der Zellwände sich erhöht und damit die Verrottungsgeschwindigkeit sinkt. Die Peroxidaseaktivität wurde in drei verschiedenen „Fraktionen“ untersucht: Im Zellinnern (intrazellulär), in den Zellwänden (extrazellulär zellwandgebunden) und zwischen den Zellen (interzellulär, extrazellulär löslich). Die intrazelluläre Fraktion zeigte einen Anstieg der Enzymaktivität vor allem bei den frostempfindlichen Varianten (Desirée sowie die Events 12 und 23). Die extrazellulär löslichen Peroxidasen veränderten sich bei der Überwinterung kaum. Interessanterweise nahmen die extrazellulär zellwandgebundenen Peroxidasen bei den Kontrollvarianten im Verlaufe der Überwinterung zu, bei den gentechnisch veränderten, Cyanophycin produzierenden Kartoffeln hingegen nicht. Auch dieses Ergebnis wird in den Folgejahren intensiv weiterbearbeitet werden.