Ein neues Paradigma für die Konstruktion von C4 Pflanzen

Gentechnische Konstruktion, auch genetische Modifikation genannt, ist der Prozess der manuell ein Zielgen (neue DNS) in einen Organismus einbaut, so dass der Organismus ein gewünschtes Merkmal haben wird. Gentechnische Konstruktion funktioniert nur, wenn wir wissen, welches Gen oder welche Gene das gewünschte Merkmal definieren können. C4-Photosynthese ist ein sehr komplexes Merkmal, einschließlich anatomischer, regulatorischer und metabolischer Komponenten und wird daher auch C4-Syndrom genannt. Da die C4-Komponenten noch nicht alle identifiziert wurden, ist es immer noch eine große Herausforderung, C4-Merkmale in C3-Pflanzen durch klassische gentechnische Modifikation einzubauen.

Evolutionäre Konstruktion, auch als gerichtete Evolution bezeichnet, wird oft für komplexe Merkmale in der Mikrobiologie benutzt (wo es auch als adaptive Labor-Evolution bezeichnet wird). Insbesondere in Fällen, in denen die Zielmerkmale auf der genetischen Ebene noch unzureichend verstanden sind. Evolutionäre Konstruktion imitiert den natürlichen evolutionären Prozess und verändert die genomische Zusammensetzung eines Organismus durch die Anhäufung von Mutationen über mehrere Generationen. Es gibt in der Regel zwei Schritte: i) kontinuierliche Kultivierung eines Organismus über mehrere Generationen unter einem gewissen Selektionsdruck und ii) Screening um den Organismus, der gewünschte biologische Merkmale erhält, zu finden. Eines können wir schon sagen: evolutionäre Konstruktion ist schrecklich zeitaufwendig. Auch evolutionäre Konstruktion allein dürfte die Umwandlung von einer C3 zu einer C4-Pflanze in begrenzter Zeit nicht erreichen.

Innerhalb von CEPLAS kombinieren wir daher die genetische und evolutionäre Konstruktion, um Arabidopsis-Pflanzen mit einem C4-Stoffwechsel herzustellen. Ein bestehendes mathematisches Modell der C3-C4-Evolution wurde verwendet, um den vielversprechendsten Weg zu diesem Ziel auszuwählen. Basierend auf biomathematischen Simulationen entwickeln wir Arabidopsis thaliana Pflanzen, die das zentrale Kohlenstoff-fixierende Enzym RubisCo nur in Bündelscheidenzellen (Ru-BSC-Pflanzen) besitzen. Diese Einschränkung von RubisCo auf nur einen Zelltyp ist für den C4-Metabolismus charakteristisch und gibt den Pflanzen somit einen evolutionären Schubs in die gewünschte Richtung. Diese Änderung wird wahrscheinlich zunächst schädlich für die Pflanze sein. Die dann mutagenisierten Ru-BSC-Pflanzen werden nun auf eine verbesserte Photosynthese untersucht und wir erwarten, dass sie auf den künstlichen Selektionsdruck reagieren, indem sie sich in Richtung der C4-Anatomie und Biochemie entwickeln.

Dr. Yuanyuan Li, Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Übersetzung von Meike Hüdig, Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zum Nachlesen

Li Y, Heckmann D, Lercher MJ and Maurino VG (2017) Combining genetic and evolutionary engineering to establish C4 metabolism in C3 plants. J. Exp. Bot. 68, 117-125 [Abstract]

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich