Wissenschaftler entwickeln Leindotter mit gelben Samen und hohem Ölertrag

Die Bemühungen, die CO2-Emissionen aus Kraftstoffen auf null zu senken, erhöhen die Nachfrage nach Öl aus Nichtnahrungsmitteln. Diese Pflanzen nutzen Sonnenlicht, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Öl umzuwandeln, das sich in den Samen anreichert. Pflanzenzüchter, die Pflanzen auswählen möchten, die viel Öl produzieren, suchen nach gelben Samen. Bei Ölsaaten wie Raps produzieren gelbsamige Sorten im Allgemeinen mehr Öl als ihre braunsamigen Gegenstücke. Der Grund: Das Protein, das für die braune Farbe der Samen verantwortlich ist – und das gelbsamigen Pflanzen fehlt – spielt auch bei der Ölproduktion eine wichtige Rolle.

Pflanzenbiochemiker des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) – die an der Steigerung der Pflanzenölsynthese für die nachhaltige Produktion von Biokraftstoffen und anderen Bioprodukten interessiert sind – haben dieses Wissen nun genutzt, um eine neue ertragreiche Ölsaatensorte zu entwickeln. In einem gerade veröffentlichten Artikel veröffentlicht In Das Plant Biotechnology Journalbeschreiben sie, wie sie mit Hilfe moderner Genetik eine gelbsamige Sorte der Leindotterpflanze, einem nahen Verwandten des Raps, züchteten, die 21,4 % mehr Öl anreichert als gewöhnlicher Leindotter.

„Wenn Züchter die Ölproduktion um ein paar Prozent steigern können, betrachten sie das als bedeutsam, denn selbst kleine Ertragssteigerungen können zu großen Steigerungen der Ölproduktion führen, wenn man Millionen Hektar Land bepflanzt“, sagte John Shanklin, Biochemiker am Brookhaven Lab, Vorsitzender der Biologieabteilung des Labors und Leiter des Pflanzenöl-Forschungsprogramms. „Unsere Steigerung um fast 22 Prozent war unerwartet und könnte möglicherweise zu einer dramatischen Produktionssteigerung führen“, sagte er.

Einfache Idee, ungewöhnliche Pflanze

Die Idee hinter der Entwicklung dieser ertragreichen Leindotter-Sorte war einfach: Man sollte die Vorgänge bei den natürlich vorkommenden, ertragreichen Rapssorten mit gelben Samen nachahmen.

„Züchter hatten Pflanzen mit mehr Öl identifiziert, von denen einige zufällig gelbe Samen hatten, und sie machten sich keine großen Gedanken über den Mechanismus“, sagte Shanklin. Doch als Wissenschaftler das Gen entdeckten, das sowohl für die gelbe Samenfarbe als auch für den erhöhten Ölgehalt verantwortlich ist, hatten sie eine Möglichkeit, den Ölertrag bei anderen Arten potenziell zu steigern.

Das Gen enthält die Anweisungen zur Herstellung eines Proteins namens Transparent Testa 8 (TT8), das unter anderem die Produktion von Verbindungen steuert, die den Samen ihre braune Farbe verleihen. Wichtig ist, dass TT8 auch einige der Gene hemmt, die an der Ölsynthese beteiligt sind.

Xiao-Hong Yu, der dieses Projekt leitete, stellte die Hypothese auf, dass die Beseitigung von TT8 im Leindotter die Hemmung der Ölsynthese aufheben und etwas Kohlenstoff freisetzen sollte, der in die Ölproduktion geleitet werden kann.

Ein einzelnes Gen beim Leindotter zu entfernen ist eine große Herausforderung, da diese Pflanze unter den Lebewesen ungewöhnlich ist. Statt zwei Chromosomensätzen – also zwei Kopien jedes Gens – besitzt sie sechs Sätze.

„Dieses ‚hexaploide‘ Genom erklärt, warum es keine natürlich vorkommenden gelbsamigen Leindotterarten gibt“, erklärte Yu. „Es wäre höchst unwahrscheinlich, dass Mutationen gleichzeitig in allen sechs Kopien von TT8 auftreten und seine Funktion völlig stören würden.“

Genom-Editierung bringt Öl

Dank der Werkzeuge der modernen Genetik gelang es dem Brookhaven-Team, alle sechs Kopien von TT8 auszuschalten. Sie verwendeten die Gen-Editierungstechnologie CRISPR/Cas9, um die spezifischen DNA-Sequenzen innerhalb der TT8-Gene anzugreifen. Mithilfe dieser Technologie spalteten sie die DNA an diesen Stellen und erzeugten dann Mutationen, die die Gene deaktivierten. Yu und das Team führten dann eine Reihe biochemischer und genetischer Analysen durch, um die Auswirkungen ihrer gezielten Gen-Editierung zu überwachen.

„Der gelbe Samenphänotyp, nach dem wir suchten, war eine großartige visuelle Hilfe für unsere Suche“, sagte Yu. „Er half uns, die Samen zu finden, nach denen wir suchten, indem wir weniger als 100 Pflanzen untersuchten – unter denen wir drei unabhängig voneinander vorkommende Linien identifizierten, bei denen alle sechs Gene gestört waren.“

Das Ergebnis: Die Farbe der Samenschale änderte sich nur bei Pflanzen von braun nach gelb, bei denen alle sechs Kopien des TT8-Gens zerstört waren. Die gelben Samen wiesen geringere Mengen an „Flavonoid“-Verbindungen und „Schleim“ auf – beides Stoffe, die normalerweise durch biochemische Prozesse produziert werden, die von TT8 gesteuert werden – als braune Samen von Leindotter-Stämmen mit unverändertem Genom.

Darüber hinaus wurden in den Samen der mit CRISPR/Cas9 bearbeiteten Pflanzen viele Gene, die an der Ölsynthese und der Produktion von Fettsäuren, den Bausteinen des Öls, beteiligt sind, in erhöhten Konzentrationen exprimiert. Dies führte zu einer dramatischen Zunahme der Ölansammlung. Die veränderten Samen enthielten eine weitere positive Überraschung: Der Protein- und Stärkegehalt war unverändert.

Die gezielten Mutationen von TT8 wurden an nachfolgende Generationen der Leindotterpflanzen vererbt, was darauf schließen lässt, dass die Verbesserungen stabil und langanhaltend sein würden.

„Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial zur Schaffung neuer Leindotter-Linien durch Gen-Editierung, in diesem Fall durch Manipulation von TT8 zur Verbesserung der Ölbiosynthese. Ein tieferes Verständnis der Art und Weise, wie TT8 und andere Faktoren biochemische Prozesse steuern, könnte zusätzliche Genziele für die Steigerung der Ölausbeute liefern“, sagte Shanklin.