Pflanzenzucht: Mit “unsichtbaren” Chromosomen positive Eigenschaften gemeinsam vererben

Forschende des KIT legen mit CRISPR/Cas Chromosomen still, um den genetischen Austausch zu verhindern.

Nutzpflanzen sollen möglichst ertragreich und wohlschmeckend, aber gleichzeitig auch resistent gegenüber Krankheiten oder Schädlingen sein. Jedoch können bei der Pflanzenzucht einzelne dieser positiven Eigenschaften verloren gehen, wenn die entsprechenden Gene auf einem Chromosom weit auseinander liegen. Um sie zukünftig gemeinsam vererben zu können, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun mit der molekularen Schere CRISPR/Cas neun Zehntel eines Chromosoms „umgedreht“ und damit genetisch stillgelegt. Die auf diesem Teil liegenden Eigenschaften werden für den genetischen Austausch unsichtbar und so unverändert weitervererbt. Ergebnisse in Nature Plants.

Nutzpflanzen sollen möglichst ertragreich und wohlschmeckend, aber gleichzeitig auch resistent gegenüber Krankheiten oder Schädlingen sein. Jedoch können bei der Pflanzenzucht einzelne dieser positiven Eigenschaften verloren gehen, wenn die entsprechenden Gene auf einem Chromosom weit auseinander liegen. Um sie zukünftig gemeinsam vererben zu können, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun mit der molekularen Schere CRISPR/Cas neun Zehntel eines Chromosoms „umgedreht“ und damit genetisch stillgelegt. Die auf diesem Teil liegenden Eigenschaften werden für den genetischen Austausch unsichtbar und so unverändert weitervererbt. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in Nature Plants. (DOI: 10.1038/s41477-022-01238-3)

Gezielt Gene in Pflanzen verändern, einfügen oder ausschalten – das ermöglicht die molekulare Schere CRISPR/Cas (CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats): Mit dieser Methode können Pflanzen etwa robuster gegen Schädlinge, Krankheiten oder Umwelteinflüsse gemacht werden. „Uns ist es bereits in den vergangenen Jahren erstmals gelungen, mit CRISPR/Cas nicht nur Gene, sondern auch die Struktur von Chromosomen zu verändern“, sagt Professor Holger Puchta, der am Botanischen Institut des KIT mit seinem Team bereits seit 30 Jahren an Anwendungen für Genscheren forscht. „Gene sind linear auf Chromosomen angeordnet und wir konnten durch Änderung dieser Abfolge zeigen, wie man gute von schlechten Pflanzeneigenschaften trennen kann.“

Jetzt haben die Forschenden es geschafft, den genetischen Austausch zu verhindern, der bei der Vererbung normalerweise stattfindet und bei dem Eigenschaften getrennt werden. „Wir legen fast ein komplettes Chromosom still – machen es quasi unsichtbar – und können so alle Eigenschaften, die sich darauf befinden, in einem Paket weitervererben“, so der Molekularbiologe. Bisher mussten Pflanzeneigenschaften, die gemeinsam vererbt werden sollten, auf demselben Chromosom nah beieinander liegen. Befinden sie sich auf einem Chromosom weiter auseinander, werden sie bei der Vererbung in der Regel voneinander getrennt und eine positive Eigenschaft kann so bei der Züchtung verloren gehen.

Nach dem Vorbild der Natur: Chromosomen-Engineering verhindert genetischen Austausch

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben sich bei ihrer Forschung ein Beispiel an der Natur genommen: „Diese ‚Umkehrungen‘ oder Inversionen, also das genetische Unsichtbarmachen, kommen in kleinerem Maßstab auch bei Wild- und Kulturpflanzen immer wieder vor. Wir haben von der Natur gelernt und dieses Wissen über den natürlichen Prozess genutzt und erweitert“, sagt Puchta.

Gemeinsam mit Professor Andreas Houben vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) haben die Forschenden um Puchta neun Zehntel eines Chromosoms der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) invertiert. Nur an den Enden erhielten sie Fragmente in ihrer ursprünglichen Ausrichtung. „Mit Hilfe dieser Fragmente kann das Chromosom genauso wie die anderen Chromosomen auch an die nächste Generation weitergegeben werden und geht als Ganzes nicht verloren”, erläutert Puchta.

Zukünftig Züchtung von effizienteren und robusteren Nutzpflanzen möglich

Bei der effizienten Zucht von Nutzpflanzen komme es darauf an, möglichst viele positive Eigenschaften in einer Pflanze zu vereinen. „Die Züchterinnen und Züchter wollen natürlich, dass die Pflanze gut schmeckt, möglichst vitaminreich ist, aber gleichzeitig auch resistent gegenüber Krankheiten. Das können wir mit unserer Methode künftig erleichtern“, so Puchta.

Ausführliche Bildunterschrift:
Normalerweise erfolgt der genetische Austausch von väterlichen und mütterlichen Eigenschaften über die ganze Länge eines Chromosoms. Durch das Invertieren des größten Teils (gelb) des Chromosoms mit Hilfe der molekularen Schere CRISPR/Cas kann dieser Austausch nun auf die beiden äußersten Enden beschränkt werden (violett und blau). (Abbildung: Michelle Rönspies, KIT)

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Sandra Wiebe
Pressereferentin
Tel.: +49 721 608-41172
sandra.wiebe@kit.edu

Originalpublikation:

Michelle Rönspies, Carla Schmidt, Patrick Schindele, Michal Lieberman-Lazarovich, Andreas Houben, and Holger Puchta: Massive Crossover Suppression by CRISPR-Cas-mediated Plant Chromosome Engineering. Nature Plants, 2022. DOI 10.1038/s41477-022-01238-3. https://www.nature.com/articles/s41477-022-01238-3

https://www.kit.edu/kit/pi_2022_082_pflanzenzucht-mit-unsichtbaren-chromosomen-positive-eigenschaften-gemeinsam-vererben.php