Einsatz von Genome Editing in der Züchtung


Seit einiger Zeit steht die Landwirtschaft vor immer größer werdenden Aufgaben. Die stetig wachsende Weltbevölkerung und der Klimawandel sind die zwei wichtigsten Herausforderungen an die Menschheit in den kommenden Jahren. Einhergehend mit dem sich verändernden Klima, sieht sich die Agrarlandschaft auch mit neuen Schädlingen und Krankheiten konfrontiert.

Im Institut für Resistenzforschung und Stresstoleranz des JKI wird die Anfälligkeit von Weizensorten für echten Mehltau untersucht.  Die Sorten links im Bild sind vom weißen Pilz befallen, die Sorte rechts zeigt keine Symptome. Bildquelle: H. Zetsche
Im Institut für Resistenzforschung und Stresstoleranz des JKI wird die Anfälligkeit von Weizensorten für echten Mehltau untersucht. Die Sorten links im Bild sind vom weißen Pilz befallen, die Sorte rechts zeigt keine Symptome. Bildquelle: H. Zetsche

Häufiger auftretende Extremwetterereignisse und neu einwandernde Krankheiten und Schaderreger erfordern die Anpassung unserer Agrarkultur an die neuen Bedingungen in immer kürzer werdenden Zeitabständen. Um dies zu erreichen, bedient sich die Menschheit schon seit tausenden von Jahren der genetischen Selektion, aber erst vor gut 150 Jahren entdeckte Mendel die Regeln der genetischen Vererbung und startete so das Zeitalter der wissenschaftsbasierten Züchtung. In den letzten Jahrzehnten kamen weitere Errungenschaften wie die Hybridzüchtung, Marker gestützte Selektion und die Nutzung von genetisch veränderten Organismen hinzu. All diese Techniken ermöglichten uns neue Sorten schneller und effizienter herzustellen. Ein wichtiger Aspekt in der Züchtung ist seit langer Zeit die Nutzung von natürlich auftretenden genetischen Mutationen. Dadurch konnten viele nützliche Eigenschaften, wie zum Beispiel der Verlust von Bitterstoffen, entdeckt und für die gezielte Selektion genutzt werden.

Die gezielte Erzeugung von Mutationen mittels Strahlung oder Chemikalien beschleunigte die Entdeckung neuer Eigenschaften und Phänotypen, ist jedoch zufällig und ungerichtet, so dass neben der gewünschten Mutation meist eine Vielzahl weiterer Mutationen auftreten. Diese ungewünschten Mutationen müssen anschließend durch einen langwierigen und kostenintensiven Rückkreuzungsprozess wieder herausgezüchtet werden.

Mithilfe neuer Pflanzenzüchtungstechniken wie Genome Editing ist es möglich geworden, an einer gewünschten Stelle im Genom Mutationen zu erzeugen, um so gewünschte Eigenschaften, wie beispielsweise Krankheitsresistenzen, in Pflanzen zu erzeugen. Der große Vorteil von Genome Editing gegenüber den bisherigen standardmäßig eingesetzten Mutationstechniken besteht darin, dass die Mutationen nur an der gewünschten Stelle im Genom erzeugt werden, ohne weitere ungewünschte Mutationen mit ungewünschten Eigenschaften zu erzeugen.

Seit der Etablierung der neuen Techniken an Modelorganismen sind erst wenige Jahre vergangen. Trotzdem gibt es bereits vielversprechende Anwendungsbeispiele, wie die Genome Editing Techniken in Zukunft eingesetzt werden können. Wissenschaftlern ist es beispielsweise gelungen im Weizen Resistenzen gegen den Mehltau oder eine Virusresistenz in Gurken zu erzeugen.

Quellenangaben

Yanpeng Wang, Xi Cheng, Qiwei Shan, Yi Zhang, Jinxing Liu, Caixia Gao & Jin-Long Qiu. 2014. Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew. Nature Biotechnology 32(9):948-952

Chandrasekaran J, Brumin M, Wolf D, Leibman D, Klap C, Pearlsman M, Sherman A, Arazi T, Gal-On A. 2016. Development of broad virus resistance in non-transgenic cucumber using CRISPR/Cas9 technology. Mol Plant Pathol. 17(7):1140-53


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