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Erde|Umwelt

Künstliche Gen-Schaltkreise steuern Pflanzenwachstum

Pflanzenwurzeln
Genschalter steuern die Verzweigung der Wurzeln. © Jennifer A. N. Brophy

Die Auswirkungen des rapiden Klimawandels stellen viele Nutzpflanzen vor Herausforderungen. Eine neue Methode der Gentechnik könnte womöglich Abhilfe schaffen: Mit sogenannten synthetischen genetischen Schaltkreisen können Forscher gezielt bestimmte Gene in einzelnen Bereichen der Pflanze beeinflussen. Auf diese Weise ist es einem Forschungsteam am Beispiel einer Modellpflanze nun gelungen, das Wurzelwachstum zu steuern, ohne den Rest der Pflanze zu beeinflussen. Die Methode könnte dabei helfen, Nutzpflanzen zu entwickeln, die Wasser und Nährstoffe effektiver aus dem Boden aufnehmen können.

Bei bisher üblichen Methoden der Gentechnik ist es zwar möglich, gezielt bestimmte Gene in das Erbgut eines Organismus einzuschleusen, doch diese Gene entfalten typischerweise unspezifisch in allen Zellen des Organismus ihre Wirkung. Noch ungenauer ist die klassische Pflanzenzüchtung: Hier müssen Züchter auf zufällige günstige Genmutationen hoffen, die sie zwar mit Hilfe von Chemikalien oder radioaktiver Strahlung wahrscheinlicher machen, aber nicht gezielt beeinflussen können. Angesichts der rapiden Umweltveränderungen durch den menschengemachten Klimawandel ist es ein wichtiges Forschungsziel, Nutzpflanzen so präzise wie möglich zu verändern, um sie für die neuen Gegebenheiten fit zu machen.

Programmiercode für Pflanzen

Ein Team um Jennifer Brophy von der Stanford University in Kalifornien hat nun am Beispiel der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) eine neue Methode angewendet, die dieses Ziel näher rücken lässt: Die Forscher entwickelten sogenannte synthetische genetische Schaltkreise, mit denen sie Gene in einzelnen Bereichen einer Pflanze gezielt regulieren können, ohne dass der Rest der Pflanze davon betroffen ist. Ähnlich wie ein Computercode funktionieren die Gen-Schaltkreise mit bestimmten Schaltern, die abhängig von den sonstigen Gegebenheiten Gene und weitere Signalwege an- und ausschalten.

„Unsere synthetischen genetischen Schaltkreise ermöglichen es uns, sehr spezifische Wurzelsysteme oder sehr spezifische Blattstrukturen zu entwickeln“, sagt Brophy. „Damit machen wir das Engineering von Pflanzen viel präziser.“ Über tausend potenzielle Schaltkreise entwickelte und testete ihr Team. 188 davon erwiesen sich als nützlich. Diese stellen die Forscher nun auch anderen Gruppen in einer Datenbank für synthetische DNA zur Verfügung. Damit bilden sie eine Grundlage für zukünftige Weiterentwicklungen in diesem Bereich.

Anpassungen an den Klimawandel

Die Einsatzmöglichkeiten der synthetischen genetischen Schaltkreise in Pflanzen demonstrierten Brophy und ihr Team an der Ackerschmalwand. Sie kombinierten mehrere Schalter, um das Wurzelwachstum der Pflanze gezielt und vorhersagbar zu beeinflussen. Indem sie die Expressionsstärke eines Gens veränderten, konnten sie die Dichte der Verzweigungen im Wurzelsystem verändern. „Die Form des Wurzelsystems einer Pflanze beeinflusst ihre Fähigkeit, wichtige Nährstoffe im Boden zu erreichen und bei Trockenheit Wasser aufzunehmen“, erklären die Forscher. Beispielsweise ist ein flaches, weit verzweigtes Wurzelsystem besser in der Lage, Phosphor zu absorbieren, da dieser vor allem in der Nähe der Oberfläche vorkommt. Ein tiefes Wurzelsystem dagegen kann besser Wasser und Stickstoff aufnehmen.

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Mit der gleichen Art von genetischen Schaltern, die das Team verwendet hat, um die Wurzelentwicklung selbst zu steuern, ließen sich Pflanzen zukünftig auch in die Lage versetzen, eigenständig auf veränderte Bodenbedingungen zu reagieren. Beispielsweise wäre es denkbar, dass Gene, die die Wurzeln in die Tiefe wachsen lassen, spezifisch nur bei Trockenheit aktiviert werden. In zukünftigen Versuchen wollen die Forscher ihre Methode auch auf Nutzpflanzen anwenden, um beispielsweise zu erreichen, dass diese mehr Wasser aufnehmen und effizientere Photosynthese betreiben können. „Viele moderne Nutzpflanzen sind nicht mehr in der Lage, auf einen veränderten Nährstoffgehalt des Bodens zu reagieren“, erklärt Brophys Kollege José Dinneny.

Meilenstein in der Gentechnik

„Der Klimawandel verändert die landwirtschaftlichen Bedingungen, unter denen wir die Pflanzen anbauen, auf die wir für Nahrungsmittel, Brennstoffe, Fasern und Rohstoffe für Medikamente angewiesen sind“, so Brophy. „Wenn wir nicht in der Lage sind, diese Pflanzen in großem Maßstab zu produzieren, werden wir mit einer Menge Probleme konfrontiert werden. Diese Arbeit soll dazu beitragen, dass wir Pflanzensorten haben, die wir auch dann noch anbauen können, wenn die Umweltbedingungen, unter denen wir sie anbauen, ungünstiger werden.“

In einem begleitenden Kommentar zur Studie, der ebenfalls in der Fachzeitschrift Science erschienen ist, schreiben Simon Alamos und Patrick Shih von der University of California in Berkeley: „Die von Brophy et al. gewonnenen Erkenntnisse sind der Schlüssel für den künftigen Erfolg bei der Implementierung und Umsetzung kombinatorischer Schaltkreise nicht nur in Pflanzen, sondern auch in anderen komplexen biologischen Systemen. Diese Arbeit ist ein Meilenstein in der gentechnischen Entwicklung eines ganzen, voll entwickelten multizellulären Organismus und weist auf die vor uns liegenden Herausforderungen hin.“

Quelle: Jennifer Brophy (Stanford University, CA, USA) et al., Science, doi: 10.1126/science.abo4326

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