In diesem Forschungsvorhaben sollen Weizenpflanzen mit verbesserter, multipler und dauerhafter Pilztoleranz durch neue Züchtungsmethoden entwickelt werden. Das spiegelt sich im Projektnamen wider: Pilztoleranz von Weizen mittels neuer Züchtungsmethoden (PILTON).
Neuen Züchtungsmethoden wird großes Potenzial zugeschrieben, die Entwicklung von Pflanzensorten mit verbesserten Eigenschaften für eine ressourcenschonende und produktive Landwirtschaft zu verkürzen. Im Rahmen des Projekts soll geprüft werden, wie sich mit pilztolerantem Weizen Pflanzenschutzmittel signifikant einsparen lassen. Zudem geht es im Projekt auch um die Frage, wie derzeit angebotene Genome Editing-Technologien, beispielsweise CRISPR/Cas, besonders auch von den kleinen und mittelständischen Unternehmen der Pflanzenzüchtung angesichts bestehender Schutzrechte genutzt werden können.
Mehr über das Projekt PILTON erfahren Sie auch in unserem Flyer.
Rechts: Weizenblatt mit Pilzbefall
In diesem Forschungsvorhaben sollen Weizenpflanzen mit verbesserter, multipler und dauerhafter Pilztoleranz durch neue Züchtungsmethoden entwickelt werden. Das spiegelt sich im Projektnamen wider: Pilztoleranz von Weizen mittels neuer Züchtungsmethoden (PILTON).
Neuen Züchtungsmethoden wird großes Potenzial zugeschrieben, die Entwicklung von Pflanzensorten mit verbesserten Eigenschaften für eine ressourcenschonende und produktive Landwirtschaft zu verkürzen. Im Rahmen des Projekts soll geprüft werden, wie sich mit pilztolerantem Weizen Pflanzenschutzmittel signifikant einsparen lassen. Zudem geht es im Projekt auch um die Frage, wie derzeit angebotene Genome Editing-Technologien, beispielsweise CRISPR/Cas, besonders auch von den kleinen und mittelständischen Unternehmen der Pflanzenzüchtung angesichts bestehender Schutzrechte genutzt werden können.
Mehr über das Projekt PILTON erfahren Sie auch in unserem Flyer.
Das Projekt PILTON wird vom BDP filmisch begleitet. Die Grundlagen und Hintergründe zum Forschungsvorhaben werden im Einführungsfilm erläutert.
Fortlaufend werden Video-Updates die Fortschritte und Ergebnisse des Projekts dokumentieren.
Die Pressemitteilung des BDP zum Projektstart finden Sie hier.
Dr. Dietmar Stahl, wissenschaftlicher Leiter des Projektes Pilton, erläutert im Video den aktuellen Stand.
Die Experteninterviews geben einen tieferen Einblick in das Thema Genome Editing und Pflanzenzüchtung.
Es werden wissenschaftliche, züchterische und rechtliche Fragestellungen beleuchtet.
Über die ersten Versuche zur Überprüfung der Anfälligkeit gegenüber pilzlichen Schaderregern.
Landwirt Bernhard Huber über Pflanzenschutz und Pilzerkrankungen.
Pflanzenzüchter Dr. Stefan Streng über Züchtung, CRISPR und die Vorteile der neuen Züchtungsmethoden.
CRISPR (ausgesprochen “crisper”) steht für “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”, ins Deutsche übersetzt: “gruppiert auftretende, regelmäßig unterbrochene, kurze palindromische Wiederholungen“. Diese Wiederholungen wurden zuerst in Bakterien entdeckt und stellen einen Teil des natürlichen bakteriellen Immunsystems dar, mit denen sich Bakterien gegen Viren schützen.
Genau wie Menschen können Bakterien nämlich von Viren (sogenannten Phagen) befallen werden und haben raffinierte Abwehrmaßnahmen gegen einen solchen Befall entwickelt. Wenn ein Phage an eine Bakterienzelle andockt und sein Erbgut injiziert, wird ein Teil dieses Viren-Erbguts als sogenannte Spacer (daher das „Interspaced“ in CRISPR) in die Bakterien-DNA eingebaut (und zwar in die Palindromic Repeats). Bei einem erneuten Befall kann das Bakterium mit diesen eingebauten Stücken die Virus-DNA identifizieren und gezielt zerschneiden, um eine Infektion zu stoppen. Dieses System ist also so etwas wie ein genetisches Gedächtnis des Bakteriums.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass dieser Mechanismus auch in andere Lebewesen übertragen und somit als Genome Editing Werkzeug in der Pflanzenzüchtung zum Erkennen und Schneiden von DNA verwendet werden kann.
Was genau Palindrome sind und wie Bakterien mit CRISPR in Zusammenspiel mit einem Protein die Viren bekämpft, lesen Sie unter:
Cas9 ist eines der Proteine (Endonukleasen), die mit dem bakteriellen Immunsystem CRISPR zusammenarbeiten (Cas = CRISPR associated) und für das Genome Editing genutzt werden.
Cas9 verwendet ein RNA-Molekül, um eine komplementäre DNA-Sequenz zu finden. Man kann die komplementäre DNA-Sequenz so auswählen, dass diese im gesamten Genom nur einmal vorkommt. Sobald diese Ziel-DNA identifiziert ist, schneidet Cas9 beide DNA-Stränge.
Dieses präzise Schneiden hat dazu geführt, dass man die CRISPR-Technologie auch als “molekulare Schere” oder als “Skalpell” bezeichnet. Mittlerweile stehen Wissenschaftlern und Züchtern zahlreiche weitere Endonukleasen, wie z.B. Cpf1, mit unterschiedlichsten Eigenschaften zur Verfügung.
Hierbei handelt es sich um ein CRISPR System mit anderen Eigenschaften als Cas9.
Cpf1 ist wie Cas9 eine Endonuklease und funktioniert auch als „molekulare Schere“. Sie ist aber kleiner als Cas9, was die Abgabe in Zellen und Gewebe erleichtert. Und sie schneidet die DNA-Stränge versetzt, sodass an den freiliegenden Enden kurze Überhänge verbleiben. Cpf1 wird auch Cas12a genannt. Beide Begriffe bezeichnen dieselbe Endonuklease.
Neben Cas9 und Cpf1 gibt es zahlreiche weitere Nukleasen, die in CRISPR-Systemen verwendet werden. Eine weitere Variante ist die MAD7 Nuklease, welche weitere spezifische Eigenschaften aufweist. Die Auswahl der Endonuklease ist meist von der Zielsetzung abhängig.
Der Europäische Gerichtshof (EuGH) hat im Juli 2018 (Rechtssache C-528/16) Pflanzen aus neuen Züchtungsmethoden unabhängig von der Art der Veränderung pauschal als gentechnisch veränderte Organismen (GVO) eingestuft. Danach sind zukünftig alle Pflanzen, die mit Verfahren der gezielten Mutagenese – wie dem Genome Editing – erzeugt wurden, als GVO zuzulassen und unterliegen den strengen Anforderungen des Gentechnikrechts im Hinblick auf Monitoring, Kennzeichnung und Rückverfolgbarkeit.
Genetische Veränderungen wie sie mit Hilfe gezielter Mutagenese erreichbar sind, können auch durch natürliche Prozesse oder durch herkömmliche Züchtungsmethoden entstehen. Durch das EuGH-Urteil werden Pflanzen mit identischen Eigenschaften und einer identischen genetischen Beschaffenheit unterschiedlich bewertet, ausschließlich auf Grundlage der in der Züchtung verwendeten Methode.
Freisetzungsversuche (auch Freilandversuche genannt) müssen für gentechnisch veränderte Pflanzen vor deren Aussaat von der zuständigen Behörde genehmigt werden. Nach dem Urteil des Europäischen Gerichtshofs (EuGH) vom Juli 2018 trifft dies auch auf Pflanzen zu, die mit Hilfe neuer Züchtungsmethoden gezüchtet wurden.
Freisetzungsversuche sind notwendig, um die Eigenschaften der Pflanzen im Feld unter reellen Umweltbedingungen zu testen und zu vergleichen. In einem Freisetzungsversuch werden präventiv Maßnahmen zur Isolierung durchgeführt, um die Verbreitung der Versuchspflanzen zu minimieren. Die Antragsunterlagen werden bei der zuständigen Bundesbehörde, dem Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL), eingereicht. Das BVL prüft dann das Vorhaben im Benehmen mit dem Bundesamt für Naturschutz (BfN), dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) sowie dem Robert-Koch-Institut (RKI) und entscheidet über eine Freisetzung. Das Julius Kühn-Institut – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (JKI), die Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit (ZKBS) und die zuständige Behörde des jeweiligen Bundeslandes geben Stellungnahmen ab. Mit der Zustimmung zur Freisetzung können zusätzliche Auflagen verbunden sein, und sie bezieht sich immer auf eine definierte Dauer und einen definierten Ort, welcher in einem öffentlichen Register aufgeführt wird.
Ein Fungizid ist ein Pflanzenschutzmittel, das für Pflanzen schädliche Pilze und/oder deren Sporen abtötet und/oder ihr Wachstum für die Zeit seiner Wirksamkeit verhindert. Fungizide werden eingesetzt, sobald erkennbar wird, dass die Kulturpflanzen mit einer Pilzkrankheit befallen sind.
Die bedeutendsten Pilze, die Weizen befallen, sind Braunrost, Gelbrost, Septoria und Fusarium.
Seite des BVL (Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit) zu Pflanzenschutzmitteln
Die Genexpression ist der Prozess, mit dem die Zelle eine bestimmte, in der Erbsubstanz (DNA) gespeicherte Information, aktiviert und abliest. Das häufigste Ergebnis dieses Vorgangs ist die Herstellung eines bestimmten Proteins. Zu diesem Zweck interpretiert die Zelle den genetischen Code und fügt für jede Gruppe von drei Buchstaben eine von 20 verschiedenen Aminosäuren hinzu. Die Aminosäuren sind die Grundeinheiten, die zum Aufbau von Proteinen benötigt werden. Diesen Prozess kann man gezielt verändern, indem z. B. die Genexpression gemindert wird.
Genome Editing nennt man eine Gruppe von neuen Züchtungsmethoden Technologien, mit denen Wissenschaftler die DNA eines Organismus verändern können. Diese Veränderungen in der DNA-Sequenz können einzelne Basenaustausche sein (wie sie auch natürlich vorkommen können) oder auch das Entfernen oder Einfügen von genetischem Material. Die bekannteste dieser Technologien heißt “CRISPR”, das für “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” steht. Die Basis der CRISPR-Technologie ist ein natürliches System, das Bakterien nutzt, um sich vor Viren zu schützen.
Mit der CRISPR-Technologie sind Veränderungen im Genom präziser und einfacher als mit bisherigen Methoden durchzuführen.
Genau wie wir Menschen werden Pflanzen von Bakterien, Viren und Pilzen befallen, und sie haben Abwehrmechanismen entwickelt, sich gegen diese Schädlinge zu wehren. Auch wenn sie keine Antikörper gegen Schädlinge haben, können sie mit Hilfe von Immunrezeptoren Erreger auf ihrer Oberfläche erkennen und dann spezifische Abwehrmaßnahmen ergreifen (zum Beispiel ihre Spaltöffnungen schließen oder die Zellwände verstärken).
Eine dauerhafte Veränderung des Erbguts. Mutationen können spontan auftreten oder durch äußerliche Einflüsse von Mutagenen wie zum Beispiel radioaktiver Strahlung oder Chemikalien verursacht werden. Die Veränderung kann klein sein (einzelne Basenpaar-Austausche, siehe auch Definition von „Sequenzierung“), Tausende von Basenpaaren umfassen (Insertionen, Deletionen, Translokationen) oder kann ganze Chromosomen betreffen.
In der Züchtung erzeugt man seit langem bewusst Mutationen im Erbgut der Pflanzen, um neue Variabilität im Genom zu erzeugen, die dann neue Eigenschaften hervorbringen kann.
Unter diesem Begriff sind neue Methoden der Pflanzenzüchtung zusammengefasst, die sehr präzise Veränderungen und Variabilität in Pflanzen schaffen. Diese Präzision und Effizienz unterscheidet sie von herkömmlichen Züchtungsmethoden wie Zufalls-Mutagenese mittels Chemikalien oder radioaktiver Strahlung.
Beispiele für diese Methoden sind Cisgenese, Agro-Infiltration und die Methoden zur gezielten Mutagenese wie CRISPR, TALEN und Zink-Finger-Nukleasen (ZFN).
Menschen haben schon vor über 10.000 Jahren angefangen, Pflanzen zu verändern. Ziel einer jeden Pflanzenzüchtung ist es, Pflanzen genetisch so zu verändern, dass sie besser an die Anforderungen, die der Mensch an sie stellt, angepasst sind.
Bei der Kreuzungszüchtung wählt der/die Züchterin dazu bewusst Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften aus und kreuzt sie miteinander. Die durch diese Kreuzung entstandene nächste Generation wird vermehrt und anschließend weiter auf die gewünschte Eigenschaft selektiert. Dieser Prozess wird solange fortgesetzt, bis am Ende eine neue Sorte mit verbesserten Eigenschaften entsteht.
Im Laufe der Zeit haben sich abhängig von der jeweiligen Kulturpflanze zahlreiche Zuchtmethoden entwickelt wie Klonzüchtung (z. B. Kartoffel, Apfel, Zuckerrohr), Linienzüchtung (z. B. Getreide wie Weizen), Hybridzüchtung (z. B. Zuckerrübe, Raps, Mais) und Populationszüchtung (z. B. Kohl).
Ein Repressor ist ein Protein, das die Expression eines oder mehrerer Gene negativ reguliert, d. h. in der Regel die Expression unterdrückt. Das Repressorprotein bindet an die Promotorregion des Gens und verhindert so die Produktion von Messenger-RNA (mRNA).
Beim Sequenzieren von DNA wird die Reihenfolge der vier DNA-Bausteine mit Hilfe chemischer Analyseverfahren bestimmt. Die DNA-Bausteine werden Basen genannt. Aus der Sequenz können Wissenschaftler mithilfe von Computermodellen die Art der genetischen Information herauslesen, die in einem bestimmten DNA-Segment enthalten ist.
Beispielsweise können Wissenschaftler mithilfe von Sequenzinformationen bestimmen, welche DNA-Abschnitte Gene enthalten oder regulatorische Funktionen haben.
Bei einer pilztoleranten Weizensorte kann zwar eine Infektion durch Pilze wie Braunrost, Gelbrost, Septoria oder Fusarium erfolgen. Die Pflanze ist jedoch so robust, dass es nicht zum vollständigen Verlust der Vitalität oder zum Verkümmern der Ähren und damit zu signifikanten Ertragsverlusten kommt.
Weichweizen (Triticum aestivum L.) ist die am weitesten verbreitete Kulturpflanze der Erde und ist eine der wichtigsten Proteinressourcen. Das Genom von Weizen ist jedoch im Vergleich zu anderen Kulturen groß und äußerst kompliziert, da es aus drei Subgenomen besteht.
Webseite des Internationalen Konsortiums zur Sequenzierug des Weizengenoms
