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Technische Universität München

Mit Biotechnologie zur besseren Pflanze für die Rohstoffnutzung

Eva Bauer und Gerd Wenzel

Wissenschaftszentrum WeihenstephanTechnische Universität München

[email protected]

Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung 2

Pflanzenzüchtung

Jede genetisch bedingte Veränderung, die auf bewusster Selektion durch den Menschen beruht.

• Ziel: Anpassung der Pflanzen an die Wünsche des Menschen(siehe Zuchtziele)

• Methoden: Ausnutzung

- bereits vorhandener Variation- durch die Züchtung geschaffener Variation- neu erzeugter Variation (Mutanten)

durch gezielte Selektion und Rekombination


Die wichtigsten Zuchtziele

Ertrag

Qualität

Resistenz

- Kornertrag / Biomasse- Ertragskomponenten- Agronomische Eigenschaften (Standfestigkeit, Reifezeitpunkt, Maschinenernte)

- Nährstoffeffizienz

- Menschliche Ernährung (Inhaltsstoffe)- Technische Prozesse (Backen, Brauen)- Tierernährung (Inhaltsstoffe, antinutritive Subst.)- Spezielle Inhaltsstoffe (Zucker, Speiseöl)- Industrielle Verwertung (Öl, Stärke, Alkohol)

- Umweltstress (Kälte, Trockenheit, Hitze)- Schädlinge (Insekten, Milben, Nematoden)- Krankheitserreger (Viren, Bakterien, Pilze)- Konkurrenten (Unkräuter)


Pflanzenzüchtung und Biotechnologie

Züchtung

Klassische Züchtung Biotechnologie

Genetische Variation, Neukombination,

Selektion, Sortenentwicklung

Zellkultur Genomics

Schnelle Vermehrung,Haploide,

ProtoplastenfusionGentransfer

Gendiagnose,Funktions-aufklärung


Biotechnologische Werkzeuge

Zell- und Gewebekulturtechniken:

• Schnelle Vermehrung

• Erzeugung von doppelhaploiden Linien

• Regeneration von Transformanten

• Protoplastenfusion (Überwindung von Kreuzungsbarrieren)



Transformation:

Einbringen arteigeneroder artfremder Gene

• Neue Eigenschaften

• Modifikation vorhandener Eigenschaften

Metabolic Engineering

Meist nur ein oder wenigeGene übertragbar

Mirkov 2003, http://www.msu.edu



Molekulare Marker:

Selektion von Zielmerkmalen (Resistenz, Qualität)Mehr Effizienz bei der Selektion

vor allem für mono-/oligogene Merkmale geeignet

Marker-gestützte Rückkreuzungz.B. Einlagerung von Transgenen in Hochleistungssorten

Pr Ps r r r s r s r r r s r r r s r rSSR1

SSR2

SSR3R-Gen

cM Marker

5

30


Genomics

Genomics

Sequenzierung:- ESTs- Genome

Funktionelle Analyse:- Mutanten-„gene machine“- TILLING

Expressionsanalyse:- ESTs- DNA-Chips- Microarrays

Datenbanken:- Algorithmen- Annotation- Funktionsvorhersage- Metabolische Netzwerke

Genomevolution:- Syntänie- Vergleichende Kartierung

Kartierung:- SNPs- DNA-Chips- Radiation hybrids

…ACGCTTAGCACGTA……ACGATTAGCACGTT……ACGCTTAGCACGTA……ACGATTGGCTCGTA……ACGATTGGCTCGTA…


Genomics

Genomics

Sequenzierung:- ESTs- Genome

Funktionelle Analyse:- Mutanten-„gene machine“- TILLING

Expressionsanalyse:- ESTs- DNA-Chips- Microarrays

Datenbanken:- Algorithmen- Annotation- Funktionsvorhersage- Metabolische Netzwerke

Genomevolution:- Syntänie- Vergleichende Kartierung

Kartierung:- SNPs- DNA-Chips- Radiation hybrids

…ACGCTTAGCACGTA……ACGATTAGCACGTT……ACGCTTAGCACGTA……ACGATTGGCTCGTA……ACGATTGGCTCGTA…

Vom Modell zu den Kulturpflanzen


Anbauflächen NaWaRo


Anbauflächen NaWaRo

RapsMais

GetreideKartoffel

ZuckerrübeSonnenblume

Faserpflanzen (Hanf, Lein)

▼

Viele verschiedene Arten, verschiedene Zuchtziele / Zuchtmethoden


Variation zwischen Arten und innerhalb von Arten


Fettsäuremuster von Speiseölen

Nach Fussenegger & Widhalm (2003)

6%

13%

15% 54%

56%

20% 10%

7%

64%

30%

1%

1%

24%

11% 65% 24%

14% 8% 77%1%

Rapsöl

Sonnenblumenöl

Maiskeimöl

Olivenöl

Sojaöl

Gesättigte Fette Linolsäure Alpha-Linolensäure Ölsäure


Genetische Diversität auf Sequenzebene

~ 0,1% Sequenzunterschiede zwischen Menschen

~ 1% Sequenzunterschiede zwischen Mensch und Schimpanse

> 1% Sequenzunterschiede zwischen Populustrichocarpa Individuen


Genetische Diversität auf Sequenzebene

~ 0,1% Sequenzunterschiede zwischen Menschen

~ 1% Sequenzunterschiede zwischen Mensch und Schimpanse

> 1% Sequenzunterschiede zwischen Populustrichocarpa Individuen

Sequenzunterschiede verstehen lernen

Funktionale Auswirkungen vorhersagen

Korrelation Genotyp – Phänotyp überprüfen

▼

Gezielter Einsatz für unterschiedliche Nutzungsrichtungen


Raps im Wandel der Zeit

http://www.biosicherheit.deAnbaufläche

(ha)

1974: Einführung 0-Sorten1986: Einführung 00-SortenLebensmittelnutzung;Futtermittel

1996: Einführung HybridsortenErtragssteigerung

Bis in die 70er Jahre:technische Nutzung

(Öllampen etc. Ausnahme: Krisenzeiten)

Zunehmende Nutzung- als technischer Rohstoff- für Energiegewinnung


Modifikationen im Raps über transgene Ansätze

Technische Nutzung Energetische NutzungLebensmittel

Fettsäuren:Produktion von LCPUFAs

Protein für Humanernährung:Reduktion von Sinapin

Vitamine:Steigerung Tocopherolgehalt

Antioxidantien:Steigerung Resveratrolgehalt

Fettsäuren:Veränderung FS-Muster

Steigerung FS-Gehalt(v.a. Ölsäure)

Neue Fettsäuren(Laurinsäure)

Biopolymere:PHA, PHB

Steigerung der Flächenerträge(Biomasse, Öl)

Weitere Zuchtziele definieren!


Optimierung der Biomasseerträge je Fläche

Chang (2007)

Steigerung der Biomasse (klassisch und/oder gentechnisch):

• Pflanzenarchitektur, Blühzeitpunktverschiebung• Stresstoleranz (biotisch, abiotisch)• Photosyntheseeffizienz, Nährstoffeffizienz, Unkrautunterdrückung

• Modifikation von Lignin, Polysacchariden (induzierbare Cellulasen?)


Weltweite Anbauflächen gentechnisch veränderter Pflanzen

0

10

20

30

40

50

60

70

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Soybean

Maize

Cotton

Canola

Quelle: Clive James, 2006 http://www.isaaa.org

Mio. ha

2007: Σ ~114 Mio. ha


Gentechnische Ansätze

• Transgene Ansätze meist auf ein oder wenige Gene beschränkt

• Systeme für viele Kulturarten etabliert

• Zunehmend machbar: Induzierbare PromotorenGewebespezifische Expression

• Nutzung der Potentiale der Grünen Biotechnologie in der EU:- Rechtliche Rahmenbedingungen erschweren den großflächigen Einsatz- Aufwendige Zulassungsverfahren, Anbau erschwert, Vermarktung?

In jedem Einzelfall zu klären:Frage nach der Rentabilität (F+E-Aufwand) Angebot ↔ Nachfrage


Neue Variation - Mutationszüchtung

Quelle: Slade & Knauf 2005, Colbert et al. 2001

Targeting induced local lesions in genomes (TILLING)

seed bank


Neue Variation - Mutationszüchtung

TILLING:

• Suche nach neuen allelischen Varianten für Kandidatengene(z.B. Schlüsselgene in Stoffwechselwegen)

• Vorteile:- Nicht-transgener Ansatz- Generiert neue allelische Variabilität - High throughput- Auch geeignet um artspezifische, natürliche Varianten zu identifizieren

(EcoTILLING)


Interdisziplinäre Forschungsansätze

Molekulare und Phänotypische

Diversität

Genomik, Transkriptomik, Proteomik, Metabolomik

Gentechnik

Quantitative Genetik

Populationsgenetik

Bioinformatik

Sorte

der Zukunft

Phänomik

Angewandte Genomik

Gentechnik

Selektionstheorie

Züchtungsinformatik


Interdisziplinäre Forschungsansätze

Molekulare und Phänotypische

Diversität

Genomik, Transkriptomik, Proteomik, Metabolomik

Gentechnik

Quantitative Genetik

Populationsgenetik

Bioinformatik

Sorte

der Zukunft

Phänomik

Angewandte Genomik

Gentechnik

Selektionstheorie

Züchtungsinformatik

Zuchtziele definieren !

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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