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Lexikon der Biologie: transgene Pflanzen

transgene Pflanzen, Bezeichnung für Pflanzen, die zusätzlich zu den natürlich ererbten Genen ein oder mehrere Fremdgene (Transgene) stabil in ihrem Genom tragen, welche an die Nachkommen weitergegeben werden. Diese werden nicht durch herkömmliche Methoden der Pflanzenzüchtung, sondern durch gentechnische Methoden über Artgrenzen hinweg – also im Sinne eines horizontalen Gentransfers – in das Pflanzen-Genom eingebracht (man spricht hier von grüner Gentechnologie). Zur Transgenübertragung werden zum einen in der Natur bereits vorhandene Mechanismen in entsprechend abgewandelter Form genutzt, zum anderen neue Methoden entwickelt, mit deren Hilfe sie künstlich erzwungen werden kann ( vgl. Infobox ). – Nach dem Problem, Transgene in Pflanzenzellen einzubringen, ist die Steuerung der Genaktivität (Genaktivierung) des eingebrachten Gens in der transgenen Pflanze entscheidend für die Ausprägung des gewünschten Merkmals. Prinzipiell vermögen pflanzliche Promotoren das Ausprägungsmuster der mit ihnen verbundenen Gene unabhängig davon zu bestimmen, ob die Gene (bzw. Transgene) bakteriellen, pflanzlichen, pilzlichen, tierischen oder anderen eukaryotischen Ursprungs sind. Die räumliche und zeitliche Ausprägung eines Gens kann jedoch durch Auswahl eines geeigneten Promotors beeinflußt werden. So bewirkt z.B. ein Promotor, der ausschließlich in Früchten oder Blättern aktiv ist, auch eine Expression des Transgens in den entsprechenden Geweben, ein unspezifischer Promotor hingegen führt zur systemischen Expression des Transgens (Genexpression). In der Praxis zeigt sich häufig, daß die Expression des Transgens anfangs sehr hoch ist, aber im Laufe der Entwicklung abgeschaltet wird. Häufig werden auch zelleigene Gene, die mit dem Transgen verwandt sind, mit abgeschaltet (sog. silencing). In den letzten Jahren hat sich gezeigt, daß es sich hier um einen Abwehrmechanismus gegen Virenbefall handelt, der RNA fremden Ursprungs erkennt und spezifisch abbaut. Durch Einbringen von kurzen, gespiegelten DNA-Sequenzen läßt sich dieser Mechanismus gezielt aktivieren und dazu benutzen, die Funktion zelleigener Gene lahmzulegen (RNAi-Technik; RNAi = Abk. für RNA interference). – Anwendungen transgener Pflanzen: In der Grundlagenforschung werden transgene Pflanzen wie Tabak, Petunien oder Acker-Schmalwand als Modellorganismen zur Untersuchung pflanzlicher Entwicklungs- und Stoffwechselvorgänge (z.B. unter Verwendung von Reportergenen) eingesetzt, um z.B. die Funktion bestimmter Gene mittels antisense-Technik oder Überexpression zu untersuchen oder aber ihre Promotoren z.B. durch Deletionsanalysen zu charakterisieren. In der Landwirtschaft dient die Einführung von Transgenen qualitativen Veränderungen von Nutzpflanzen, u.a. in Form von Resistenzen gegen Insekten, Viren und Pilze (gentechnische Schädlingsbekämpfung) sowie Herbizidresistenzen (z.B. gegen Glyphosat, Phosphinothricin). Viele Eigenschaften von Pflanzen, wie Hitzeresistenz, Kälteresistenz, Trockenresistenz, Resistenz gegen erhöhte Leicht- und Schwermetallkonzentrationen (Metalltoleranz bei Pflanzen, Schwermetallresistenz), sind polygen (Polygenie) gesteuert und nur schwer durch rein gentechnische Manipulation (wie z.B. zur Entgiftung von Aluminium) in den Griff zu bekommen. Hier kommen auch zellbiologische Verfahren wie die somatische Hybridisierung (asymmetrische somatische Hybridisierung) zum Einsatz. Daneben zielt gentechnische Manipulation von Pflanzen auf die Förderung des Wachstums bestimmter Pflanzenteile zum Erzielen höherer Erträge. In der Lebensmittelindustrie sind die Verbesserung von Lagerfähigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Einfrieren und Auftauen, Wassergehalt, Geschmack und Stoffbilanz von Interesse. Vielfach wird auch versucht, Pflanzen durch gentechnische Veränderung zur (verstärkten) Produktion von gesundheitsfördernden oder gar therapeutisch wirksamen Inhaltsstoffen zu bringen (functional food, gene-farming). Die Produktion pharmakologischer Wirkstoffe, z.B. von Antikörpern, ist ebenfalls mittels transgener Pflanzen möglich. Außerdem können transgene Pflanzen als Quelle nachwachsender Rohstoffe nutzbar gemacht werden. Zum Beispiel können Raps (Kohl) und Sonnenblumen hergestellt werden, deren Öl reich an Erucasäure bzw. an Ölsäure ist, was ihre Nutzung zur Produktion hochwertiger Industrieöle erleichtert. Kartoffelpflanzen lassen sich so verändern, daß sie ausschließlich Amylopektin bilden, das sich für die Bindemittelherstellung eignet. Die als biologisch abbaubarer Kunststoff nutzbare Poly-β-hydroxybuttersäure (PHB) wird eigentlich nur von Bodenbakterien (Bodenorganismen) gebildet, läßt sich aber auch mittels transgener Pflanzen produzieren. – Das Spektrum der möglichen weiteren Anwendungen transgener Pflanzen dürfte sich aufgrund des rasanten Wissenszuwachses im Rahmen des Genomprojekts und der Weiterentwicklung von Techniken zur Genübertragung und Klonierung enorm erweitern. Sichtbar ist schon heute eine Entwicklung, die zu tiefgreifenden Veränderungen für die Gesellschaft und die Industrie führen wird. Transgene landwirtschaftliche Nutzpflanzen werden u.a. in Nordamerika großflächig angebaut. Dabei handelt es sich vor allem um Mais, Sojabohne und Baumwollpflanze, die mittels Gentechnik entweder gegenüber bestimmten Herbiziden tolerant sind oder aber nach Gentransfer eines bakteriellen Gens das Bt-Toxin (Bacillus-thuringiensis-Toxin) exprimieren, so daß diese Sorten vor ihren Fraßfeinden (Schmetterlingsraupen) geschützt sind. Beispielsweise sind fast 80% der Maisanbaufläche (Mais) in den USA mit Sorten bepflanzt, die gegen Totalherbizide resistent sind. Dadurch bedingt ist der Markt für andere, selektive Herbizide derzeit am Zusammenbrechen. Damit aufkommende Befürchtungen beziehen sich auf politisch-wirtschaftliche Bereiche (Monopolbildung, Nord-Süd-Konflikt über Nutzungsrechte an der Biodiversität) und deren ethische Bewertungen sowie auf mögliche Gefahren der Techniken an sich, vor allem im Hinblick auf die Freisetzungsproblematik. Bioethik, biologische Sicherheit, Gengesetz, gentechnische Freilandexperimente, horizontaler Gentransfer, Patentierung von Lebewesen, Sicherheitsstämme, Sicherheitsvektoren, transgene Pilze, transgene Tiere.

P.Z./M.B./P.N.

Lit.: Brand, P.: Transgene Pflanzen. Basel 1995. Gassen, H.G., Hammes, W.P.: Handbuch Gentechnologie und Lebensmittel. Hamburg 1997. Kjellsson, G., Simonsen, V. (eds.): Methods for risk assessment of transgenic plants. Basel 1994. Potrykus, I., Spangenberg, G.: Gene transfer to plants. Heidelberg – Berlin 1995. Steinbiß, H.H.: Transgene Pflanzen. Heidelberg 1995.



transgene Pflanzen

Für die Herstellung transgener Pflanzen (Pflanzentransformation) stehen in Abhängigkeit der zu transformierenden Pflanzenarten unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Eines der gängigsten Verfahren zur Transformation von Dikotylen (Zweikeimblättrige Pflanzen) erfolgt mittels Agrobacterium tumefaciens, wobei das zu übertragende Gen zunächst in das Ti-Plasmid einkloniert werden muß (Klonierung). Bei dieser Technik, welche die Fähigkeit dieser Bodenbakterien ausnutzt, Pflanzenzellen genetisch zu verändern, werden Blattscheiben in einer Agrobakteriensuspension inkubiert und anschließend auf ein Wachstumsmedium umgesetzt, das nicht nur ein Antibiotikum enthält, um transformierte und untransformierte Pflanzen voneinander zu unterscheiden (Marker), sondern durch eine Kombination von Phytohormonen auch die Sproß- und Wurzelbildung induziert. Nach einiger Zeit können die aus transformierten Zellen entstandenen Pflanzen auf Erde umgesetzt werden. Von dieser Blattscheibentechnik gibt es für unterschiedliche Pflanzenarten verschiedene Abwandlungen. Bei der für Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) verwendeten sog. in planta-Transformation werden die Blüten im Vakuum mit einer Agrobakterienlösung infiltriert, so daß die erfolgreiche Transformation bei den später gebildeten Samen überprüft werden muß. Einkeimblättrige Pflanzen (Monokotylen) wie die Getreide lassen sich auf diese Weise nur sehr schlecht bis gar nicht gentechnisch verändern, so daß bei ihnen bevorzugt die biolistische Transformation („Genkanone“; biolistische Methode) zum Einsatz kommt.

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