Einführung in Biotechnologie der Pflanzen für Ernährungswissenschaftler

PD Dr. Klaus-J. AppenrothLehrstuhl Pflanzenphysiologie

Wintersemester 2012/ 2013

Vorläufiges Programm, interaktiv

1. Einordnung der Biotechnologie als eine

Einführung

2. Der jetzige Stand

3. Einige molekularbiologische Grundlagen

4. Biotechnologische Methoden, die man kennen

muss! Teil I

5. Was sind Mutanten und wie werden sie erzeugt?

6. Wie macht man gentechnisch veränderte

Pflanzen?

7. Biotechnologische Methoden, die man kennen

muss! Teil II

8. Umweltaspekte und ethische Erwägungen

9. Biotechnologische Diagnostik

Moderne Biotechnologie der Pflanzen

=

Anwendung von Methoden der Molekularbiologie und Zellbiologie

zur Pflanzenzucht (Verbesserung von Sorten,Züchtung neuer Sorten)

und zum Pflanzenschutz.

Was bedeutet bessere Pflanzen?

- Höherer Ertrag (Quantität)- höhere Toleranz gegen Umweltfaktoren (Krankheiten, Trockenheit…)- höhere Nahrungsmittelqualität (Proteine, Fette)- bessere Lagerqualität- einfachere Handhabbarkeit (Ernte, Transport,

Prozessierung)

Wichtig:Der ökonomische Aspekt darf nicht vergessen werden, sonst ist die moderne Züchtung (Biotechnologie) schnell„out of business“!

Aufgaben der pflanzlichen Biotechnologie

1. Erhöhung des Ertrages

2. Verbesserung der Qualität

3. Schutz der Umwelt

Züchtung bedeutet Veränderung des Erbgutes.

Wie kommt es zu solchen Veränderungen?Wie kommt es zu solchen Veränderungen?

Züchtung macht Gebrauch von sexueller Fortpflanzungund den damit verbundenen Zufallsgeneratoren.

Drei Zufallsgeneratoren im sexuellen Fortpflanzungscyclus

1. Crossing over (Intrachromosomale Rekombination)In der meiotischen Prophase kommt es zu vielfachen Stück-austausch zwischen entsprechenden mütterlichen und väterlichen Chromosomen des diploiden Chromosomensatzes;Ort und Ausmaß dieser reziproken Stückaustausche sind weitestgehend zufällig.

2. Interchromosomale RekombinationBei der ersten meiotischen Teilung werden mütterliche und väterliche Chromosomen zufällig auf die beiden Tochterzellen verteilt.

3. GametenverschmelzungBei der Gametenverschmelzung ist es wieder dem Zufallüberlassen, welche Gameten im konkreten Fall zu einer Zygote verschmelzen.

1.1. Crossing over (Intrachromosomale Rekombination)Crossing over (Intrachromosomale Rekombination)

Veränderungen der Landschaft zwischen1830 und 2005

1990

Anteil des Verdienstes für Nahrungszwecke:

19. Jhdt.: Nahrungsbedarf finanziell nicht gedeckt1955: 35 %1995: 16 %

Ziel der ErtragsphysiologieErzielung hoherEnergieumsetzungsfaktoren bei stabilen Ökosystemen.

Ertragsfaktoren

Vor ca. 3000 Jahren:

Verwendung: Körner als Viehfutter, Rohstoff für

Backwaren, Bier und Breie.10-13% Eiweiß im Korn, davon 3-4% Lysin

Antagonisten der Produktionsverfahren

☻“Schädlinge“ (Insekten, Pilze, Viren…)

☻Konkurrierende Wildkräuter (Arabidopsis thaliana…)

☻Abiotischer Stress (Wasser, Salz, Schadstoffe, Schwermetalle, Licht, UV…)

Produktionsverfahren

1. Mineralstoffdüngung

2. Herbizide

Produktionsverfahren

1. Mineralstoffdüngung

2. Herbizide

COHNSMgKPCaFe

Cohns Margarete kocht prima Caffee

Der Stickstoffkreislauf

N2-Fixierung durch Fabaceen

40 % der Anbaufläche müsste zur Deckung mitErbsen oder Bohnen bebaut werden.

Außerdem…

Ertragsverlust durch N2-Fixierung

Produktionsverfahren

1. Mineralstoffdüngung

2. Herbizide

Produktionsverfahren

1. Mineralstoffdüngung

2. Herbizide

HERBIZIDE

1. Vorlauf-Herbizide(nicht selektiv)

2. Nachlauf-Herbizide(selektiv)

erstes Herbizid (Chloridazon): 2 kg(haheutiges Herbizid (Cycloxydim): 0.2 kg(ha

Wie wird Selektivität erreicht?

Dikotyle Pflanzen (oft Wildkräuter) werden oft geschädigt,monokotyle Pflanzen (z.B. Getreide) sind hingegen resistenter.

Ursachen für erhöhte Empfindlichkeit von Dikotylen:- Die Kutikula schütz Monokotyle besser.- Meristeme sind bei Dikotylen leichter zugänglich.- Blattfläche (Aufnahmefläche) ist bei Dikotylen größer.- Blattstellung bei Dikotylen lässt Lösungen leichter verweilen.

(monocotyl) (dicotyl)

Mechanismen der Herbizidwirkungen

1. Inhibitoren von Zielproteinen2. Bleichherbizide3. Photosynthesehemmstoffe

Beispiel 1: Glutaminsynthetase

Mechanismen der Herbizidwirkungen

1. Inhibitoren von Zielproteinen

Mechanismen der Herbizidwirkungen

2. Bleichherbizide

Hemmung des D1-ProteinHemmung der Photosynthese durch ein Herbizid

Mechanismen der Herbizidwirkungen

3. Photosynthesehemmstoffe

Moderne pflanzliche Biotechnologie

=

Anwendung von Methoden der Molekularbiologie undder Zellbiologie

zur Pflanzenzucht(Verbesserung von Sorten,Züchtung neuer Sorten)

und zum Pflanzenschutz.

Was bedeutet „bessere“ Pflanzen? - Höhere Erträge- höhere Toleranz gegen Umweltfaktoren (Krankheiten,

Trockenheit, …)-höhere Nahrungsmittelqualität (Proteine, Fette)- bessere Lagerqualität- einfachere Handhabbarkeit (Ernte, Transport,

Prozessierung)-attraktiver (Blütenfarbe, Form)

Wichtig-Der ökonomische Aspekt darf nicht vergessen werden, sonst ist die Züchtung (Biotechnologie) schnell „out of business“

Aufgaben der pflanzliche Biotechnologie

Erhöhung des Ertrages

Verbesserung der Qualität

Schutz der Umwelt

Klassische Züchtung war in der Vergangenheitund ist in der Gegenwart enorm erfolgreich beider genetischen Veränderung von Nutzpflanzen.

Ihr Potential wird heute durch Molekularbiologie(= rekombinante DNA-Technologie) ergänzt.

Wie kann man neue Pflanzensorten erzeugen?Wie kann man neue Pflanzensorten erzeugen?

Erzeugung neuer PflanzensortenErzeugung neuer Pflanzensorten

0. Auswahl

1. Traditionelle ZüchtungEine große Zahl von Genen wird gleichzeitig rekombiniert.Es verändern sich viele Eigenschaften in schwer vorher-sagbarer Weise. Nur bei nahen Verwanden (Art).

2. Zellfusion + in vitroPrinzipiell wie bei traditioneller Züchtung, jedoch Erweiterung des Verwandtschaftsgrades.

3. Gentechnologie= rekombinante Gentechnologie.Einzelne oder wenige Gene werden verändert. Ergebnis leichter vorhersehbar. Prinzipiell alle Gene aus allen Organismenverfügbar.

Was sind cisgene Pflanzen ?

Zellfusion

Regeneration isolierter Zellen

Später !!!

Keep smiling! KünstlerKlaus-J. Appenroth

Vorläufiges Programm, interaktiv

1. Einordnung der Biotechnologie als eine

Einführung

2. Der jetzige Stand3. Einige molekularbiologische Grundlagen

4. Biotechnologische Methoden, die man kennen

muss! Teil I

5. Was sind Mutanten und wie werden sie erzeugt?

6. Wie macht man gentechnisch veränderte

Pflanzen?

7. Biotechnologische Methoden, die man kennen

muss! Teil II

8. Umweltaspekte und ethische Erwägungen

9. Biotechnologische Diagnostik