Synthetisch-genetische Schaltkreise könnten Pflanzen helfen, sich an den Klimawandel anzupassen

Die globale Nahrungsmittelproduktion wird zunehmend durch die Auswirkungen des Klimawandels bedroht. Da Überschwemmungen, Dürren und extreme Hitzewellen immer häufiger werden, müssen sich Pflanzen schneller als je zuvor anpassen können.

Forscher der Stanford University arbeiten an Möglichkeiten, biologische Prozesse in Pflanzen zu manipulieren, damit sie unter einer Vielzahl von Bedingungen effizienter und effektiver wachsen können. Jennifer Brophy, Assistenzprofessorin für Bioingenieurwesen, und ihre Kollegen haben eine Reihe synthetischer genetischer Schaltkreise entwickelt, die es ihnen ermöglichen, die Entscheidungen zu kontrollieren, die von verschiedenen Arten von Pflanzenzellen getroffen werden. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Wissenschaftnutzten sie diese Werkzeuge, um Pflanzen mit veränderten Wurzelstrukturen zu züchten. Ihre Arbeit ist der erste Schritt bei der Entwicklung von Nutzpflanzen, die besser in der Lage sind, Wasser und Nährstoffe aus dem Boden zu sammeln, und bietet einen Rahmen für die Entwicklung, Erprobung und Verbesserung synthetischer genetischer Schaltkreise für andere Anwendungen in Pflanzen.

„Unsere synthetischen genetischen Schaltkreise werden es uns ermöglichen, sehr spezifische Wurzelsysteme oder sehr spezifische Blattstrukturen aufzubauen, um zu sehen, was für die herausfordernden Umweltbedingungen, von denen wir wissen, dass sie kommen, optimal ist“, sagte Brophy. „Wir machen das Engineering von Anlagen viel präziser.“

Ein Programmiercode für Pflanzen

Gegenwärtige gentechnisch veränderte Pflanzensorten verwenden relativ einfache, ungenaue Systeme, die bewirken, dass alle ihre Zellen die Gene exprimieren, die notwendig sind, um beispielsweise Herbiziden oder Schädlingen zu widerstehen. Um eine feinstufige Kontrolle über das Pflanzenverhalten zu erreichen, bauten Brophy und ihre Kollegen synthetische DNA, die im Wesentlichen wie ein Computercode mit logischen Gattern funktioniert, die den Entscheidungsprozess steuern. In diesem Fall verwendeten sie diese Logikgatter, um anzugeben, welche Zelltypen bestimmte Gene exprimierten, wodurch sie die Anzahl der Zweige im Wurzelsystem anpassen konnten, ohne den Rest der Pflanze zu verändern.

Die Tiefe und Form des Wurzelsystems einer Pflanze beeinflussen, wie effizient sie verschiedene Ressourcen aus dem Boden zieht. Ein flaches Wurzelsystem mit vielen Verzweigungen zum Beispiel kann Phosphor besser aufnehmen (der in der Nähe der Oberfläche bleibt), während ein tieferes Wurzelsystem, das sich am Boden verzweigt, besser Wasser und Stickstoff aufnehmen kann. Mithilfe dieser synthetischen genetischen Schaltkreise konnten Forscher verschiedene Wurzeldesigns züchten und testen, um die effizientesten Pflanzen für verschiedene Umstände zu schaffen. Oder sie könnten Pflanzen in Zukunft die Fähigkeit geben, sich selbst zu optimieren.

„Wir haben moderne Pflanzensorten, die ihre Fähigkeit verloren haben, auf die Bodennährstoffe zu reagieren“, sagte José Dinneny, außerordentlicher Professor für Biologie an der School of Humanities and Sciences und einer der Hauptautoren des Papiers. „Die gleiche Art von Logikgattern, die die Wurzelverzweigung steuern, könnte verwendet werden, um beispielsweise einen Kreislauf zu erstellen, der sowohl die Stickstoff- als auch die Phosphorkonzentration im Boden berücksichtigt und dann eine für diese Bedingungen optimale Ausgabe erzeugt.“

Von Modellorganismen zu modernen Nutzpflanzen

Brophy entwarf mehr als 1.000 potenzielle Schaltkreise, um die Genexpression in Pflanzen manipulieren zu können. Sie testete sie in den Blättern von Tabakpflanzen, um zu sehen, ob sie die Blattzellen dazu bringen könnte, ein im Dunkeln leuchtendes Protein zu erzeugen, das in Quallen vorkommt. Sie fand 188 funktionierende Designs, die die Forscher in eine synthetische DNA-Datenbank hochladen, damit andere Wissenschaftler sie für ihre Arbeit verwenden können.

Sobald sie funktionierende Designs hatten, verwendeten die Forscher einen der Schaltkreise, um Logikgatter zu erstellen, die die Expression eines bestimmten Entwicklungsgens in einer genau definierten Art von Wurzelzelle von Arabidopsis thaliana, einer kleinen, unkrautartigen Pflanze, die oft als verwendet wird, verändern würden Modellorganismus. Indem sie das Expressionsniveau dieses einen Gens veränderten, waren sie in der Lage, die Dichte der Zweige im Wurzelsystem zu modifizieren.

Nachdem sie nun gezeigt haben, dass sie die Wachstumsstruktur eines Modellorganismus verändern können, beabsichtigen die Forscher, dieselben Werkzeuge auf kommerzielle Nutzpflanzen anzuwenden. Sie untersuchen die Möglichkeit, ihre genetischen Schaltkreise zu verwenden, um die Wurzelstruktur in Sorghum zu manipulieren, einer Pflanze, die zu Biokraftstoff veredelt werden kann, um ihr zu helfen, Wasser zu absorbieren und Photosynthese effizienter durchzuführen.

„Der Klimawandel verändert die landwirtschaftlichen Bedingungen, unter denen wir die Pflanzen anbauen, auf die wir für Nahrung, Brennstoffe, Fasern und Rohstoffe für Medikamente angewiesen sind“, sagte Brophy. „Wenn wir diese Pflanzen nicht in großem Maßstab produzieren können, werden wir mit vielen Problemen konfrontiert. Diese Arbeit soll dazu beitragen, dass wir Pflanzensorten haben, die wir anbauen können, selbst wenn die Umweltbedingungen uns wachsen sie weniger günstig.“

Weitere Stanford-Co-Autoren dieser Studie sind die Forschungstechniker Katie J. Magallon und Kiril Kniazev, die wissenschaftliche Mitarbeiterin Lina Duan, der Postdoktorand Prashanth Ramachandran und die Doktorandin Vivian Zhong. Dinneny ist auch Mitglied von Stanford Bio-X.