Höhere Erträge und stresstolerantere Kulturpflanzen dank Multiplex-Genomeditierung
Viele Gene bestimmen die Eigenschaften, die den Ertrag und die Toleranz gegenüber ungünstigen Bedingungen bestimmen, und Anbaupflanzen mit diesen wünschenswerten Eigenschaften zu erkennen, beinhaltet meist das Screening großer, gekreuzter Pflanzenpopulationen. Obwohl in jahrzehntelanger pflanzenmolekularbiologischer Forschung viele Ertrags- und Stresstoleranzmechanismen identifiziert wurden, sind die Umsetzungsmöglichkeiten immer noch begrenzt. „Obwohl die Züchtung durch genetische Marker und zufällige Mutagenese(öffnet in neuem Fenster) verbessert wurde, ist sie nach wie vor eine sehr zeit- und ressourcenintensive Sache“, erklärt Dirk Inzé(öffnet in neuem Fenster), Koordinator des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts BREEDIT. Laut Inzé vom Flämischen Institut für Biotechnologie, an dem das Projekt angesiedelt ist, liegt ein Hauptgrund darin, dass „es praktisch unmöglich bleibt, vorherzusagen, welche Kombination von Genen mit geringer Wirkung verändert werden muss, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen“. Diese Herausforderung wird durch die schiere Datenmenge verschärft, die bei dem Versuch entsteht, so viele Genkombinationen wie möglich aus einer großen Gensammlung darzustellen. Ausgehend von sechzig ertragsrelevanten Genen kombinierte das Team von BREEDIT konventionelle Züchtungs- und Genomeditierungsverfahren, um Genkombinationen zu finden, die die gewünschten Ertrags- oder Stresstoleranz-Phänotypen ergeben. „Wir haben zwar einen Konzeptnachweis für Mais erbracht, aber der BREEDIT-Ansatz ist auf viele Kulturpflanzen anwendbar“, fügt Inzé hinzu.
Den „revers-genetischen“ Ansatz revolutionieren
Das Neue an BREEDIT war, dass mit einer großen Auswahl von Kandidatengenen für ein bestimmtes Pflanzenmerkmal begonnen und ein Ansatz entwickelt wurde, um so viele Genkombinationen höherer Ordnung wie möglich zur Optimierung des Merkmals zu testen. Die Mutationen wurden durch CRISPR/Cas9-Genomeditierung(öffnet in neuem Fenster) erzeugt. „SCRIPT“-Konstrukte, die dem Gen EDITOR mitteilen, wo die Änderung vorzunehmen ist, wurden auf zwölf verschiedene Gene einer Maispflanze angewandt. Durch Kreuzung dieser Pflanzen mit Pflanzen, die andere SCRIPT-Konstrukte, d. h. verschiedene mutierte Gene, enthielten, entstanden weitere Mutationskombinationen. Insgesamt wurden fünf verschiedene SCRIPTs verwendet, die sechzig mit dem Wachstum zusammenhängende Gene repräsentieren. „Mit diesem Ansatz wurden mehr Mitglieder von Genregulationsnetzwerken ausgeschaltet als bei Experimenten, die nur auf einige wenige Gene abzielten, woraus neuartige Genkombinationen entstanden, die einen stärkeren Einfluss auf Pflanzeneigenschaften ausüben“, erklärt Inzé. Die Phänotypen der Pflanzen, die diese Multiplex-Genomeditierungen (Mehrfachmutationen) enthalten, wurden dann in verschiedenen Entwicklungsstadien beobachtet. Mais im Keimlingsstadium wurde auf interessante Wachstumsmerkmale hin phänotypisch untersucht, was zu einem Datensatz von über 6 000 Keimlingen führte. Diese wurden mithilfe modernster Maschinenlernwerkzeuge analysiert. Vielversprechende Populationen wurden zum Zeitpunkt der Reife mit der automatisierten Phänotypisierungsplattform PHENOVISION(öffnet in neuem Fenster) getestet, bei der visuelle und hyperspektrale Bildgebung während des gesamten Pflanzenlebenszyklus zum Einsatz kommt. „Es wurden Maispflanzen gefunden, die sowohl unter gut bewässerten als auch unter trockenen Bedingungen mehr Biomasse produzieren können. Außerdem konnten wir feststellen, dass Genomeditierung eine modifizierte Pflanzenarchitektur, Stängelbreite und einen verbesserten Samenertrag bewirkt“, sagt Inzé.
Kommerzialisierungspläne erweitern Zielmerkmale und -kulturen
Angesichts der in Europa zu verzeichnenden negativen Auswirkungen des Klimawandels auf die Nahrungsmittelerzeugung wird der Bedarf an neuartigen, an das Klima angepassten Kulturpflanzen immer dringender. Der BREEDIT-Ansatz könnte dazu beitragen, die Entwicklung derartiger Pflanzen zu beschleunigen und gleichzeitig eine nachhaltigere Landwirtschaft zu fördern. Zu diesem Zweck wird das Team als Nächstes einige der vielversprechendsten Editierungskombinationen von BREEDIT in Hinsicht auf die weitere Entwicklung bewerten. Inzwischen hat der BREEDIT-Ansatz bereits die Aufmerksamkeit der kommerziellen Partner des Projekts auf sich gezogen, was zur Gründung des Spin-off-Unternehmens RAINBOW CROPS(öffnet in neuem Fenster) resultierte, das das Konzept auf neue Merkmale und Kulturpflanzen ausweiten wird. „Der Erfolg von BREEDIT bei der Genomeditierung beschränkte sich auf Gewächshäuser; jetzt muss er auf die Felder übertragen werden. Während sich das Team von BREEDIT auf die Deaktivierung von Genen konzentrierte, können wir auch mit der Aktivierung von Genen experimentieren, wenn das Wissen über ihre Funktionen wächst“, hebt Inzé hervor.
