Forschung rund um die DNA – wächst Reis unter Wasser?

In meinem dritten „DNA-Beitrag“ komme ich nach den Basisinformationen zur DNA und den DNA-Reparaturmechanismen, für die es den Chemie-Nobelpreis 2015 gab, zu aktuellen Forschungen rund um die Erbsubstanz.

Anfang November habe ich einen Vortrag von Professor Pamela Ronald (Universität von Kalifornien in Davis), einer Pflanzengenetikerin, besucht. Sie hat den Vortrag auf Einladung des Exzellenzclusters für Pflanzenwissenschaften CEPLAS (Cluster of Excellence in Plant Science) gehalten.

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Prof. Pamela Ronald, Vortrag an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Ihr Arbeitsgebiet ist die Erforschung von Stress- und Krankheitstoleranz von Reispflanzen. Da Reis für viele Menschen ein Grundnahrungsmittel ist, soll ihre Forschung die Ernährung der Menschen sicherstellen. Durch den Klimawandel nehmen Überflutungen und Dürreperioden zu. Die Folge sind sinkende Ernteerträge und somit weniger Nahrungsmittel für die Bevölkerung.

Ein Forschungsgebiet ist die Resistenz von Reispflanzen gegen Überschwemmungen. Reis wächst in der Regel zwar im Wasser, aber nicht unter Wasser. Bei längeren Überflutungen sterben viele der Reispflanzen. Weiterhin liefern Pflanzen, die diesen „Stress“ überstehen, weniger Ertrag.

Es gibt jedoch eine „alte“ Reissorte, die längere Überflutungen übersteht. Diese Reissorte bringt weniger Ertrag als die modernen Sorten. Zudem wurden die modernen Sorten für die jeweiligen Anbaugebiete gezüchtet und sind an das dortige Klima und die Bodenverhältnisse angepasst. In der klassischen Pflanzenzucht würde die überflutungsresistente Sorte mit den heimischen Reissorten gekreuzt. Dieser Prozess ist jedoch sehr langwierig, da immer die Ernte der Samen abgewartet werden muss. Als Beispiel: Unsere heimischen Getreidesorten werden im Frühjahr ausgesät und im Spätsommer/Herbst geerntet. Weiterhin ist nicht sicher, welche der Reispflanzen alle gewünschten Eigenschaften/Merkmale mitbringen.

Die Mendelschen Regeln

Zur Vererbung von Merkmalen schauen wir uns die erste und die zweite Mendelsche Regel an. Sie sind gültig für Merkmale, die von einem Gen bestimmt werden.

  1. Uniformitätsregel: Wenn zwei reinerbige Eltern (P, Parentalgeneration) mit doppeltem Chromosomensatz (diploid) gekreuzt werden, ist die 1. Tochergeneration (F1, Filialgeneration) genetisch (Genotyp) und im Aussehen (Phänotyp) identisch.
  2. Spaltungsregel: Wird diese F1-Generation untereinander gekreuzt, so ergibt sich genetisch ein Aufspaltungsmuster 1 : 2 : 1 für die 2. Generation (F2). Das bedeutet, es gibt zwei reinerbige Individuen mit dem Erbmaterial jedes Elternteils der P-Generation und zwei mit dem Erbmaterial der F1-Generation.

Je mehr Merkmale vererbt werden, desto komplizierter wird die Auswahl der Pflanzen mit den gewünschten Merkmalen. Bei zwei unabhängig vererbten Merkmalen ist das Aufspaltungsmuster in der F2-Generation schon 9 : 3 : 3 : 1 (Genotyp). Ein dominantes Gen ist immer sichtbar, auch wenn es mit einem rezessiven kombiniert ist.

Ein Youtube-Video von MaxPlanckSociety erklärt die (erste und) zweite Mendelsche Regel anschaulich.

Wenn zwei Reissorten mit vielen Merkmalen klassisch gekreuzt werden, wird die Auswahl der Sorten ziemlich unübersichtlich und dauert lange. Denn das Resultat soll eine Sorte sein, die möglichst nur die gewünschten Eigenschaften hat und diese auch weitervererbt – ohne Überraschungen.

Welche Möglichkeiten der Abkürzung gibt es?

Es gibt die Möglichkeit einen Organismus gentechnisch zu verändern. Hierbei wird ein Stück Erbsubstanz (DNA), dass die gewünschte zusätzliche Information trägt, in die DNA des Organismus eingefügt. Aktuell gibt es zu der neuen Methode CRISPR, die diesen Austausch erleichtert, viele Beiträge in Fachzeitschriften, aber auch in der Tagespresse. Der Nachteil ist, dass es für gentechnisch veränderte Pflanzen langwierige Zulassungsverfahren und Diskussionen um den Einsatz auf dem Feld gibt. Ein Beispiel ist der sogenannte „goldene Reis“. Hier wurde in die Reiserbsubstanz die Information für die Synthese von beta-Carotin eingefügt. Der Reis ist gelb (golden). Ziel der Veränderung im Erbgut war eine Bekämpfung des Vitamin-A-Mangels in Entwicklungsländern, da Reis ein Grundnahrungsmittel und beta-Carotin eine Vorstufe für Vitamin A ist. Das Ergebnis war „goldener Reis“ und eine langandauernde Diskussion von verschiedenen Gruppen Pro und Contra Gentechnik. Wer nach dem Stichwort „goldener Reis“ sucht wird schnell fündig. Folglich ist auch das, trotz Abkürzung, keine schnelle Lösung.

Eine weitere Möglichkeit „zur Abkürzung“ besteht darin, die Auswahl der Organismen zu verbessern. In dem Beispiel mit dem überflutungsresistenten Reis wird zunächst nach dem oder den entsprechenden Genen in der „alten“ Reissorte gesucht. Es handelt sich um das Sub1-Gen. Dadurch besteht die Möglichkeit nach einer klassischen Kreuzung alle Pflanzen ohne das Sub1-Gen auszusortieren und nur mit Pflanzen mit dem gewünschten Gen weiterzuarbeiten. Das erleichtert und vereinfacht die Auswahl. Ich habe als deutsche Bezeichnung Präzisionszucht oder auch marker-assoziierte Selektion gefunden. Im Englischen heißt es marker-assisted selection (MAS). Im Video von MaxPlanckSociety wird an einem Beispiel gezeigt, wie die Abkürzung über MAS funktioniert.

Diese Form der Pflanzenzucht war erfolgreich, so dass die neuen resistenten Sorten als Saatgut zur Verfügung stehen. Die Forschung von Pamela Ronald erfolgte in Zusammenarbeit mit dem International Rice Research Institute (IRRI). Die Reissorten werden mit Unterstützung der Bill & Melinda Gates Stiftung kostenlos an die Reisbauern verteilt.

Pamela Ronald hat bei TEDx einen Vortrag zum Thema „Argumente für Gentechnik bei Pflanzen“ gehalten. Hier stellt sie unter anderem ihre Forschungsergebnisse vor und geht auch auf das Thema „goldener Reis“ ein. Den Beitrag mit deutschen Untertiteln findet ihr hier:

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Veröffentlicht am Dezember 29, 2015 in NATUR + WISSENSCHAFT und mit , , , , getaggt. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink. Hinterlasse einen Kommentar.

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