Transplantation und mobiles CRISPR zur Genombearbeitung in Pflanzen

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie setzen eine bahnbrechende Variante des CRISPR-Werkzeugs – auch bekannt als „genetische Schere“ – ein, um Pflanzengenome zu editieren, was eine Änderung der Methodik signalisiert. Die Entdeckung, kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturbiotechnologiekönnte die Entwicklung neuartiger, genetisch stabiler kommerzieller Nutzpflanzensorten vereinfachen und beschleunigen, indem das Pfropfen mit einem „mobilen“ CRISPR-Tool kombiniert wird.

Ein unveränderter Spross wird auf Wurzeln gepfropft, die ein mobiles CRISPR/Cas9 enthalten, das es der genetischen Schere ermöglicht, sich von der Wurzel in den Spross zu bewegen. Dort editiert es die Pflanzen-DNA, hinterlässt aber in der nächsten Pflanzengeneration keine Spuren von sich. Dieser Durchbruch wird Zeit und Geld sparen und aktuelle Einschränkungen in der Pflanzenzüchtung umgehen und zu nachhaltigen Ernährungslösungen für mehrere Kulturen beitragen.

Viele Nutzpflanzen, die die Welt ernähren, sind bereits durch Hitze, Dürre und Pflanzenschädlinge bedroht, und diese Faktoren werden durch den Klimawandel noch verschärft. Um diese essentiellen Pflanzen für effiziente und effektive Ernteerträge unter schwierigen Bedingungen zukunftssicher zu machen, können Pflanzengenome mit hoher Präzision mit dem CRISPR/Cas9-System editiert werden, um vorteilhafte Genfunktionen einzuführen oder ungünstige zu entfernen.

CRISPR/Cas9 ist zwar ein enormer Fortschritt für die Pflanzenzüchtung, bleibt aber dennoch eine teure und arbeitsaufwändige Lösung, die für die Anwendung in den meisten Pflanzen nicht praktikabel ist. Die jüngste Entwicklung des Wissenschaftlerteams des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Deutschland überwindet diese Einschränkungen.

RNA als CRISPR-Träger

Kommerzielle Nutzpflanzen müssen genetisch stabil sein, dürfen keine genetischen Sequenzen aus dem CRISPR/Cas9-System enthalten und sollten frei von Transgenen sein. Normalerweise geschieht dies entweder durch Auskreuzung über viele Generationen hinweg oder durch langwierige Regenerationsprozesse. Beides ist zeit- und kostenintensiv und in vielen Kulturpflanzen schwierig oder sogar unmöglich.

Ein Team von Wissenschaftlern um Dr. Friedrich Kragler wollte dies ändern. Im Rahmen des EU-finanzierten PLAMORF-Projekts und des vom deutschen Forschungsministerium geförderten Proof-of-Concept-Projekts untersuchen sie Transportsequenzen, die die Bewegung von RNAs von den Wurzeln zu den Sprossen ermöglichen. Die Forschungsgruppe identifizierte die sogenannten tRNA-ähnlichen Sequenzen (TLS), die als Signale für die Langstreckenbewegung von RNAs innerhalb von Pflanzen dienen.

Der jüngste Durchbruch gelang durch die Kombination dieser Entdeckung mit dem CRISPR/Cas9-Genombearbeitungssystem. Beim Hinzufügen eines solchen TLS zu den CRISPR/Cas9-Sequenzen produzieren Pflanzen „mobile“ Versionen von CRISPR/Cas9-RNA. Ein transgenfreier, unveränderter Spross wird dann auf die Wurzeln von Pflanzen gepfropft, die die mobile CRISPR/Cas9-RNA enthalten, die sich dann von der Wurzel in den Spross und schließlich in die Blüten bewegt, die die Samen produzieren.

„Die Magie passiert in den Blumen“, erklärt Dr. Friedrich Kragler. „Die CRISPR/Cas9-RNA wandert ein und wird in das entsprechende Protein umgewandelt, das die eigentliche ‚Genschere‘ ist. Es bearbeitet die Pflanzen-DNA in den Blüten. Aber das CRISPR/Cas9-System selbst ist nicht in die DNA integriert. Daher tragen die Samen, die sich dann aus diesen Blüten entwickeln, nur die gewünschte Bearbeitung. Es gibt keine Spur des CRISPR/Cas9-Systems darin Anlagen der nächsten Generation und arbeitet mit einem überraschend hohen Wirkungsgrad.“

Ein Bearbeitungssystem für viele Nutzpflanzen

Was das neue System noch spannender macht, ist die Möglichkeit, verschiedene Arten zu kombinieren. Die Wissenschaftler zeigten, dass eine solche „Bearbeitung“ nicht nur funktioniert, wenn Wurzel und Spross bei der Veredelung von der gleichen Pflanzenart stammen – in diesem Fall die Modellpflanze Arabidopsis oder Ackerschmalwand. Sie pfropften auch Triebe seines kommerziellen Verwandten, Raps, auf Arabidopsis-Wurzeln, die das mobile CRISPR/Cas9 produzieren. Erfreulicherweise fand das Team von Dr. Kragler auch bearbeitete Rapspflanzen.

„Unser neuartiges Gen-Editierungssystem kann für viele Züchtungsprogramme und Kulturpflanzen effizient eingesetzt werden. Dazu gehören viele landwirtschaftlich wichtige Pflanzenarten, die mit bestehenden Methoden nur schwer oder gar nicht zu modifizieren sind“, schloss er.