Wissenschaftler verändern Pflanzen gentechnisch, um mehr Pflanzenöl zu gewinnen

Wissenschaftlern der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapore) ist es gelungen, ein Pflanzenprotein, das für die Ölanreicherung in Pflanzensamen und essbaren Nüssen verantwortlich ist, gentechnisch zu verändern.

Die Modellpflanze Arabidopsis, die ihre zum Patent angemeldete Methode demonstriert, sammelte 15 bis 18 % mehr Öl in ihren Samen, wenn sie mit dem modifizierten Protein unter Laborbedingungen gezüchtet wurde.

Wege zu finden, um Pflanzen dazu zu bringen, mehr Öl in ihren Samen zu liefern, ist ein heiliger Gral für die Landwirtschaft. Die meisten ölproduzierenden Pflanzen – wie Ölpalme, Sojabohne, Sonnenblume, Raps, Erdnuss – haben jedoch bereits einen hohen Ölanteil in ihren Früchten oder Samen, und es ist schwierig, ihren Ölgehalt durch traditionelle Kreuzungsmethoden zu erhöhen.

Pflanzenöle werden häufig in der Lebensmittelverarbeitung, Biokraftstoffen, Seifen und Parfums verwendet, und der Weltmarkt für sie wird 2021 auf 241,4 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2027 auf 324,1 Milliarden US-Dollar steigen Pflanzen könnten der Welt auch bei ihrem Streben nach Nachhaltigkeit helfen, indem sie dazu beitragen, die Menge an Ackerland zu reduzieren, die für Ölpflanzen benötigt wird.

Das Geheimnis, Pflanzen dabei zu helfen, mehr Öl in ihren Samen zu speichern, ist eines ihrer Proteine ​​namens WRINKLED1 (WRI1). Wissenschaftler wissen seit über zwei Jahrzehnten, dass WRI1 eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Produktion von Pflanzensamenöl spielt.

Jetzt wurde erstmals eine hochauflösende Struktur von WRI1 vom NTU-Team unter der gemeinsamen Leitung von Associate Professor Gao Yonggui und Assistant Professor Ma Wei von der School of Biological Sciences abgebildet und gemeldet.

Veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritteerläuterte das Team die molekulare Struktur von WRI1 und wie es an Pflanzen-DNA bindet – was der Pflanze signalisiert, wie viel Öl sie in ihren Samen ansammeln soll.

Basierend auf dem Verständnis, das die atomare Struktur des WRI1-DNA-Komplexes enthüllte, modifizierte das Team WRI1, um seine Affinität für DNA zu verbessern, um die Ölausbeute zu verbessern. Bei diesem Ansatz wurden einige Teile in WRI1 für Modifikationen ausgewählt, um seine Bindung an DNA zu verbessern, und es wurden mehrere Formen von WRI1 produziert.

Diese WRI1-Kandidaten wurden dann weiter getestet, um ihre Fähigkeit zur Aktivierung der Ölproduktion in Pflanzenzellen zu bewerten. Wie vom Team erwartet, zeigten sie, dass ihre modifizierten Versionen von WRI1 die DNA-Bindung im Vergleich zum ursprünglichen WRI1 um das Zehnfache erhöhten – was letztendlich zu einem höheren Ölgehalt in seinen Samen führte.

Assoz. Prof. Gao, ein Strukturbiologe, sagte: „In der Lage zu sein, genau zu sehen, wie WRI1 aussieht und wie es an DNA bindet, die für die Ölproduktion in der Pflanze verantwortlich ist, war der Schlüssel zum Verständnis des gesamten Prozesses. WRI1 ist ein wesentlicher Regulator dafür informiert die Pflanze darüber, wie viel Öl sie in ihren Samen speichern soll. Sobald wir in der Lage waren, das ‚Schloss‘ zu visualisieren, konstruierten wir den ‚Schlüssel‘, der das Potenzial von WRI1 erschließen kann.“

Wie das Modifizieren von WRI1 funktioniert

Bei der Analyse der Kristallstruktur des WRI1-Proteins und der Doppelhelix-DNA-Stränge, an die es bindet, auf atomarer Ebene stellte das Team fest, dass diese DNA-Bindungsdomäne weitgehend konserviert war. Dies bedeutet, dass es wenig bis gar keine Variationen gab, was darauf hindeutet, dass es sich um einen gemeinsamen Bindungsmechanismus für viele Pflanzenarten handeln könnte.

Unter Verwendung dieser Kristallstruktur von WRI1 als „Ziel“ versuchte das Team dann, WRI1 zu modifizieren, um die Bindungsaffinität des Proteins für seine Ziel-DNA zu erhöhen. Die Anweisungen zur Codierung dieses modifizierten WRI1-Proteins werden dann in die Zielpflanzenzellen eingeführt, wonach die Pflanze diese neuen „Anweisungen“ verwendet, wann immer sie WRI1 produziert.

In Laborexperimenten, um zu beobachten, wie das modifizierte WRI1 die Ölakkumulation beeinflusst, wurden sowohl das modifizierte Protein als auch die unmodifizierte Form in Blätter von Nicotiana benthamiana injiziert, und es wurde eine Analyse der Triacylglycerinspiegel (eine Hauptform von Nahrungslipiden in Fetten und Ölen) durchgeführt. Das modifizierte WRI1-Protein erzeugte signifikantere Spitzen in der Triacylglycerol-Produktion im Vergleich zu der Kontrollpflanze, die mit der unmodifizierten WRI1-Form eingeführt wurde.

Nachfolgende Experimente zeigten, dass der Ölgehalt in den Samen der modifizierten Arabidopsis thaliana mehr Öl enthielt als die unmodifizierte Form. Die Nachkommen dieser gentechnisch veränderten Pflanze tragen ebenfalls das gleiche modifizierte WRI1-Protein und produzieren mehr Öl in ihren Samen.

Asst. Prof. Ma, ein Pflanzenmolekularbiologe, der WRI1 seit seiner Postdoktorandenausbildung untersucht, sagte, die Modifikation von WRI1 zur Verbesserung seiner Bindung an DNA sei ein logischer Schritt für das Team.

„Wir wissen, dass WRI1 ein Protein ist, das an die DNA-Sequenz einer Pflanze bindet und eine spezifische Kette von Anweisungen auslöst, die die Ansammlung von Ölen in den Samen reguliert. Je stärker die Bindung – desto mehr Öl konzentriert die Pflanze in ihren Samen. Daher haben wir uns entschieden, diesen Teil von WRI1 zu verbessern, der an seine Ziel-DNA bindet, die in vielen samentragenden Pflanzen hoch konserviert ist. Hoch konserviert zu sein bedeutet, dass viele Pflanzenarten genau denselben Mechanismus haben werden, der modifiziert werden kann, also sollten wir es sein in der Lage, unsere ölerzeugende Modifikation in Zukunft problemlos auf viele verschiedene Arten von Nutzpflanzen zu übertragen“, erklärte Asst Prof. Ma.

„Pflanzensamenöl ist lebenswichtig für die menschliche Ernährung und wird in vielen wichtigen industriellen Anwendungen verwendet. Die weltweite Nachfrage nach Pflanzenöl steigt sehr schnell und unsere Forschung trägt zu den Bemühungen bei, die Samenölproduktion auf nachhaltige Weise zu verbessern und möglicherweise die Umweltbelastung zu verringern der Landwirtschaft“, Asst. Prof. Ma fügte hinzu.

Im weiteren Verlauf hat das Team über NTUitive, das Innovations- und Unternehmensbüro der Universität, ein Patent für seine Methode zur Genmodifikation angemeldet und sucht nach Industriepartnern, um seine Erfindung zu kommerzialisieren.

Diese Forschung steht im Einklang mit dem Strategieplan NTU2025 und dem Nachhaltigkeitsmanifest der Universität, wo sie darauf abzielt, neue Technologien für eine grünere Zukunft zu erforschen und zu entwickeln.

Michael Fam Chair Professor William Chen, Direktor des Food Science & Technology Program an der NTU, sagte in einem unabhängigen Expertenkommentar, dass es einige Möglichkeiten gibt, den Hunger in der Welt zu bekämpfen, einschließlich der Erhöhung der Menge der produzierten Lebensmittel oder der Erhöhung der Kalorien und des Nährwerts von das produzierte Essen.

„In einer Welt mit begrenztem Ackerland für die Landwirtschaft sind fortschrittliche Technologien zum Anbau von mehr Nahrungsmitteln mit höherem Nährwert erforderlich, wenn wir hoffen, den Welthunger zu bekämpfen. Wenn wir den Fettgehalt in essbaren Samen und Nüssen erhöhen können, kann eine Person a weniger Menge, aber aufgrund der Zunahme der verbrauchten Kalorien immer noch satt fühlen“, sagte Prof. Chen, ein Experte für Ernährungssicherheit, der nicht an dieser Studie beteiligt war.

„Anstatt also mehr Pflanzen anzubauen, um mehr Menschen zu ernähren, sollten wir auch nach Methoden suchen, bei denen die angebauten Pflanzen mehr Kalorien und Nährstoffe enthalten, sodass die gleiche Menge an Nahrung mehr Menschen ernähren kann.“