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Was ist eine Pflanzentransformation: Stabile Transformation

Sie haben vielleicht schon gehört, dass Pflanzenwissenschaftler „Pflanzentransformation“ verwenden, um ein Gen in einer Zielpflanze zu exprimieren. Aber was genau bedeutet das?

Pflanzentransformation ist ein Weg, um DNA aus einem anderen Organismus – normalerweise einer anderen Pflanze – in das Genom einer Pflanze von Interesse einzufügen. In meiner Arbeit habe ich zum Beispiel ein Gen namens Stilben-Synthase aus der Traube in die Tomate eingefügt, um die Produktion des medizinischen Wirkstoffs Resveratrol in hohen Mengen in der Tomate zu ermöglichen.

Warum verwenden wir diese Technologie?

Genetische Modifikation wird in vielen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt und ist weit verbreitet, um zu verändern: Hefe, Bakterien, Pflanzen und Säugetierzellen. Eine der wichtigsten Anwendungen gentechnisch veränderter Organismen ist die Produktion medizinisch wichtiger Verbindungen in großem Maßstab. So werden beispielsweise gentechnisch veränderte Bakterien zur Herstellung von synthetischem Insulin verwendet.

Bei Pflanzen nutzen wir die Pflanzentransformation, um die Wirkung bestimmter Gene zu untersuchen und um Pflanzeneigenschaften wie Ertrag, Krankheitsresistenz, Stresstoleranz und Nährstoffproduktion zu verbessern. Die Entwicklung von Pflanzen für die Zukunft durch die Verbesserung der Stresstoleranz (gegenüber hohem Salzgehalt und Trockenheit) ist ein besonders wichtiger Forschungsbereich – angesichts der absehbaren Probleme, die Landwirte bald mit dem sich verändernden Klima aufgrund der globalen Erwärmung haben werden.

Pflanzentransformation – wie machen wir das?

Es gibt zwei Arten der Pflanzentransformation: die stabile Transformation und die transiente Transformation. In diesem Beitrag geht es um die stabile Transformation.

Was ist eine stabile Pflanzentransformation?

Die stabile Pflanzentransformation wird für die stabile Einführung eines Gens in eine Pflanze verwendet, d. h. das Gen wird vollständig in das Wirtsgenom integriert, so dass es kontinuierlich exprimiert wird und auch in späteren Generationen der Pflanze zum Ausdruck kommt. Diese Art der Pflanzentransformation wird für die längerfristige Erforschung von Genen und für die langfristige Produktion eines Merkmals/einer Verbindung in großem Maßstab verwendet.

Methoden für die stabile Transformation:

Die Pflanzentransformation umfasst 2 Stufen: Die Einbringung der DNA in eine einzelne Zelle und die Regeneration zu voll fruchtbaren Pflanzen.

DNA-Einbringung:

Es gibt 2 Hauptmethoden für die Einbringung von Genen in Pflanzen – Agrobacterium und die Partikelkanone. (Ich werde mich auf Agrobacterium konzentrieren, da ich es verwende, aber ich werde einige Artikel über die Verwendung von Partikelkanonen unten anfügen).

Agrobacterium

Agrobacterium ist ein natürlich vorkommendes Bodenbakterium, das die einzigartige Fähigkeit besitzt, einen Teil seiner eigenen DNA in Pflanzenzellen zu übertragen. In der Natur führt die Übertragung eines Teils der bakteriellen DNA zu einer raschen Teilung der Pflanzenzellen und zur Entwicklung eines Pflanzentumors.

Agrobacteriumgall
Agrobacterium Gall (Tumor)an der Wurzel von Carya illinoensis: Quelle wikimedia

Im Labor machen wir uns die Fähigkeit von Agrobacterium zum DNA-Transfer zunutze, entfernen aber die „tumorbildenden“ Gene und ersetzen sie stattdessen durch die Gene, die uns interessieren.

Wir impfen Agrobacterium, das unsere gewünschten Gene enthält, auf verwundete Pflanzenexplantate. Das Agrobacterium überträgt dann das gewünschte Gen in die DNA des Pflanzengewebes.

Erzeugung einer ganzen transgenen Pflanze:

Nach der Beimpfung mit dem Agrobacterium wird das Pflanzengewebe auf Medien kultiviert, die Antibiotika zur Abtötung des Agrobacteriums sowie selektive Faktoren enthalten. Bei dem Selektivfaktor handelt es sich in der Regel um ein Antibiotikum, das normalerweise die Pflanzenzellen abtöten würde. Wenn das betreffende Gen dem Agrobakterium hinzugefügt wird, fügen wir einen selektiven Marker hinzu – zum Beispiel ein Antibiotikaresistenzgen. Das bedeutet, dass nur Zellen, in denen die fremde DNA erfolgreich in ihre eigene DNA integriert wurde, in Medien mit dem Antibiotikum überleben können.

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Vereinfachtes Diagramm der Agrobacterium-vermittelten Pflanzentransformation.

Gewebekultur:

Wie oben erwähnt, wird Agrobacterium zu verwundeten Pflanzenexplantaten hinzugefügt. Ein Pflanzenexplantat kann aus vielen verschiedenen Teilen einer Pflanze entnommen werden: Triebe, Blätter, Stängel, Wurzeln usw. Die Art des Explantats, das für die Pflanzentransformation benötigt wird, ist von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich.

Während der Kultivierung des Explantats werden dem Gewebemedium verschiedene Pflanzenhormone zugesetzt, um die Regeneration der Pflanze einzuleiten. Dies führt zur Bildung eines Kallus, einer Masse von unorganisierten Pflanzenzellen. Nach der Bildung eines Kallus werden die Kalli in Medien umgelagert, die Hormone zur Induktion des Sprosswachstums enthalten, und dann in Medien, die Spross und Wurzeln induzieren. Sobald Spross und Wurzeln ausreichend gewachsen sind, kann der Keimling in die Erde gebracht werden.

Nachdem die Pflanze erfolgreich in der Erde gewachsen ist, wird sie analysiert, um die erfolgreiche Integration der gewünschten DNA zu bestätigen und um festzustellen, ob sie richtig funktioniert.

Weitere Lektüre:

Pflanzentransformation Teil 2: transiente Expression

Eine gute Einführung in die Biotechnologie: http://nepad-abne.net/biotechnology/

Ein Überblick über die genetische Veränderung: http://sphweb.bumc.bu.edu/otlt/MPH-Modules/PH/GMOs/GMOs3.html

Guter Überblick über die genetische Veränderung bei Bakterien: https://www.learner.org/courses/biology/textbook/gmo/gmo_2.html

Überblick über den Einsatz der Gentechnik bei Nutzpflanzen und Tieren http://www.genewatch.org/sub-532324

Sehr ausführlicher Artikel über die Pflanzentransformation: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC150518/

Pflanzentransformation durch Partikelkanonen: http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?idinformationmodule=958077244&topicorder=3&maxto=7

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