Transgene Pflanzen. Anna Junker Caroline Schomburg Martina Mumm Martina Singe Anja Skibiniewsky

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1 Transgene Pflanzen Anna Junker Caroline Schomburg Martina Mumm Martina Singe Anja Skibiniewsky

2 Übersicht 1. Allgemeines 2. Bt-Mais 3. Soja 4. Raps 5. Pro und Contra

3 Definitionen - Transgen Mittels gentechnischen Verfahren in das Erbgut eines Organismus eingebrachtes Gen transgen: gentechnisch verändert Beispiele transgene Pflanze transgenes Tier transgene Mikroorganismen

4 Definitionen Transgene Pflanze Pflanze, in die ein Gen einer anderen Spezies eingebracht wurde Übertragung des Gens in Form eines geeigneten Genkonstrukts durch Rekombinationstechniken Unterschied zur klassischen Züchtungstechnik: Keine Begrenzung auf eine bestimmte Art

5 Definitionen - Genkonstrukt Die für die Übertragung und Ausprägung eines Zielgens notwendige funktionale Einheit Zusammengesetzt aus Zielgen, Promotor, Terminator, anderen Sequenzen (z.b. Markergene)

6 Definitionen - Gentechnologie Verfahren, bei dem gezielt in das Erbgut bzw. in biochemische Steuerungsvorgänge von Lebewesen und viraler Genome eingegriffen wird beruht auf Kenntnissen der Molekularbiologie

7 Anwendung der Gentechnologie Gentechnologie Grüne Gentechnologie Rote Gentechnologie Graue/ Weiße Gentechnologie

8 Grüne Gentechnologie Verwendung genetischer Verfahren bei der Züchtung von Pflanzen Nutzung der gentechnisch veränderten Pflanzen in der Lebensmittelindustrie und Landwirtschaft

9 Rote Gentechnologie Nutzung in der Medizin und Pharmazie zur Entwicklung von Diagnoseverfahen,Therapiemöglichkeiten und Arzneimitteln angewendet

10 Graue/Weiße Gentechnologie Anwendung gentechnisch veränderter Mikroorganismen Herstellung von Enzymen und Feinchemikalien In der Industrie In der Mikrobiologie In der Umweltschutztechnik

11 Verwendete Organismen Pilze Bakterien Algen Tierische Zellen

12 Natürlicher Mechanismus zur Veränderung von Pflanzen Restriktionsenzyme schneiden durch natürlichen Mechanismus Fremd-DNA in kleine Stücke Entweder Ausschaltung der Genfunktion der fremden DNA Oder Aufnahme der kurzen DNA-Stücke in das eigene Genom

13 Gentechnischer Einbau eines Gens in eine Pflanze Ausschneiden des Gens durch Restriktionsenzyme Einbau des Gens in einem Vektor mittels Ligasen Vektor = DNA-Abschnitte aus einem Bakterium Nutzung zur Einschleusung des Gens in die Zelle und zur Vervielfältigung des Gens

14 Geschichte Erzeugung des 1. gentechnisch veränderten rekombinanten Bakteriums Agrobakterium tumefaciens wird entdeckt» Eigenet sich zur gezielten Einbringung von Genen in Pflanzen gentechnisch hergestelltes Insulin kommt in den USA auf den Markt

15 Geschichte 1985: 1986: 1993: 1994: 1995: Heute: erste Freilandversuche in den USA USA: gentechnisch veränderter Tabak darf erstmals angebaut werden Freilandversuche mit gentechnisch veränderten Zuckerrüben in Deutschland Verkauf gentechnisch veränderter Tomaten in den USA und in Großbritannien Freilandversuche mit herbizidresistenten Pflanzen in der BRD > 200 gentechnisch Veränderte Nutzpflanzen weltweit zugelassen

16 Weltweiter Anbau transgener Mio Ha Pflanzen Jahr

17 Anbaugebiete % USA Argentinien Kanada China sonstige 10 0

18 Gesetzliche Regelungen Meldepflicht Anmeldung des geplanten Anbaus 3 Monate im voraus Aufzeichnungspflicht Pflicht zur Dokumentation darüber, welche Sorte an welchem Ort mit welchen Methoden angebaut wird Vorsorgepflicht Trennstreifen (20m) zwischen Anbauflächen Gründliche Reinigung verwendeter Geräte zur Verhinderung von möglichen Vermischungen

19 Pflanzenbeispiele und deren Sojabohnen USA Brasilien Argentienien Südafrika Rumänien Uruguay Mexico Mais USA Argentinien Kanada Südafrika Uruguay Spanien Philippinen Bulgarien Kolumbien Deutschland Hauptanbaugebiete Baumwolle USA China Südafrika Australien Indien Mexiko Indonesien Raps USA Kanada

20 Ziele Veränderte Produktqualität der Pflanzen Zusammensetzung der Inhaltsstoffe verändert (Soja, Mais) Verzögerte Fruchtreife (Tomate, Melone) Entfernung unerwünschter Inhaltsstoffe (Tabak ohne Nikotin) Produktion von Arzneimittelwirkstoffen Optimierung der Pflanze in Bezug auf deren Standort Veränderung der agronomischen Eigenschaften der Pflanze z.b. Resistenz der Pflanze gegen bestimmte Krankheiten, Insekten, Pilze und Herbizide Sterilität (Raps) Erzeugung von bestimmten Pflanzen zur erleichterten Herstellung von Arzneimitteln und Rohstoffen

21 Virusresistenz (z.b. Zuckerrübe) Wurzelbärtigkeit: Viruserkrankung, bei der die befallenen Rüben sehr klein bleiben und lange Wurzelbärte haben Übertragung über Bodenpilz Polymyxa betae Minderbetrag der Landwirte von bis zu 50% Promblemlösung: Einschleusung eines Genes welches für ein Hüllenprotein des Virus in die Pflanze Verhinderung der Verbreitung des Virus durch Vortäuschen einer bereits aufgetretenen Infektion

22 Virusresistenz (z.b. Zuckerrübe)

23 Insektenresistenz Insektizide sind große Belastung für Grundwasser und Flüsse Ziel ist Menge an Insektiziden zu verringern Bacillus thuringiensis stellt Insekten-Gift (Bt- Toxin) her Gen zur Herstellung des Giftes aus Bakterium isoliert Übertragung auf Pflanze (Kartoffel, Mais, )

24 Herbizidresistenz Glufosinat = unselektives Herbizid Blockiert lebenswichtiges Enzym Glutaminsynthetase in der Pflanze Stickstoff-Stoffwechsel unterdrückt Gebildet von Streptomyces (Bodenpilz-Art) Enthalten zum Selbstschutz PAT-Enzym Umwandlung des Glufosinats in biologisch unwirksame Form Übertragung des PAT-Enzyms in Pflanzen (Mais, Raps, Sojabohnen, Zuckerrüben, Tomaten etc.) Nutzpflanzen resistent gegen das Herbizid während konkurrierende Unkräuter absterben

25 Gentransfer DIREKT INDIREKT Verschiedene Methoden 2 Hauptgruppen bei Monokotylen Pflanzen ist indirekter Gentransfer nicht möglich

26 Direkte Methode Das Gen wird unmittelbar in die Zelle eingeschleust Genkanone Elektroporation Mikroinjektion PEG-Fusion

27 Genkanone

28 Genkanone Biolistik Pflanzenzelle wird mit Mikroprojektilen beschossen, die mit Fremd-DNA beschichtet sind Projektile aus Gold oder Wolfram

29 Genkanone

30 Elektroporation Fremd-DNA wird durch das Anlegen eines kurzzeitigen, hohen elektrischen Impulses direkt in Protoplasten eingeschleust Protoplasten und DNA-Lösung werden in eine Elektrolytlösung gebracht. Durch den Aufbau einer elektrischen Spannung wird die Permeabilität der Zellmembran kurzzeitig stark erhöht, so dass die Aufnahme von Fremd-DANN möglich wird

31 Elektroporation Kartoffel-Protoplast nach Elektroporation : Im Zellkern sind die eingeführten Oligonukleotide durch den Rhodamin- Farbstoff zu erkennen. (Aufnahme ca. 30 min nach der Transformation)

32 Nachteil Die Integration der zugesetzten DNA ins Genom erfolgt zufällig, die Ausbeute stabiler Verbindungen ist relativ gering.

33

34 Mikroinjektion Anwendung weniger Piezoimpulse kann den Durchtritt durch die Membran erleichtern. Gene aus fremden Organismen können nicht unmodifiziert injiziert werden.deshalb muß das Transgen zusätzlich einen speziellen Promotor enthalten. Weiterhin muß nach dem Strukturgen zur Terminierung eine PolyA-Sequenz intergriert sein, um die Transkription zu beenden.

35 PEG-Fusion Zellwände werden mittels Cellulasen entfernt PEG, DNA und Ca 2+ hinzugefügt Osmotischer Schutz: Saccharose PEG ist ein starkes Detergenz und bewirkt eine Durchlässigkeitszunahme der Zellmembran

36 Bt-Mais

37 Geschichte Seit mehr als hundert Jahren ist bekannt, dass bestimmte Bodenbakterien eine toxische Wirkung auf bestimmte Insekten haben 1938 kam das erste kommerzielle Bt-Präparat als Pflanzenschutzmittel auf den Markt In Deutschland bekam 1964 das erste Bt- Präparat seine Zulassung als Pflanzenschutzmittel

38 Bt-Toxin als Pflanzenschutz Pflanzenschutzmittel auf Bt-Toxin Basis bestehen aus getrockneten Bakteriensporen und dem kristallinem Toxin Sie finden vorallem im ökologischem Landbau Verwendung hier 90% aller Schädlingsbekämpfungsmittel!

39 Zahlen&Fakten 1995 die erste Bt-Pflanze, Mais, in den USA zugelassen Heute wird Bt-Mais auf 14 Millionen Hektar in den USA angebaut In der EU 2006 nenneswerter Anbau nur in Spanien mit Hektar 2006 waren 19% der weltweit auf 102 Millionen Hektar angebauten gentechnisch veränderten Pflanzen insektenresistente Bt-Pflanzen

40 Zahlen&Fakten Seit Dezember 2005 in Deutschland verschiedene Bt- Maissorten zugelassen In den östlichen Bundesländern 2006 ca Hektar Für 2007 Anbau- Standorte mit Gesamtfläche 3700 Hektar angemeldet

41 Bt-Toxin Für Fraßinsekten giftiges Protein, das vom Bodenbakterium Bacillus thuringiensis gebildet wird Ca. 170 verschiedene Bt- Toxine bekannt

42 Bt-Toxin Wirkspektrum auf drei Insektengruppen beschränkt: -Schmetterlinge, Blattkäfer, Zweiflügler Einteilung der Toxine nach ihrem Wirtsspektrum, Übereinstimmug ihrer Gensequenzen und ihrer Molekülgrößen

43 Hauptklassen der Toxine 5 Hauptklassen (cry=crystal): 1. CryI: wirkt spezifisch gegen Schmetterlinge 2. CryII: Schmetterlinge und Zweiflügler 3. CryIII: Käfer 4. CryIV: Zweiflügler 5. CryV: Käfer und Schmetterlinge

44 Wirkmechanismus

45 Bt-Maispflanzen Erste kommerziell angebaute Bt-Maispflanzen enthielten in allen Pflanzenteilen hohe Bt- Toxinmengen Neuere Bt-Maissorten produzieren geringere Toxinmengen und diese auch nur im Stängel Bt-Toxine werden mit gewebespezifischen Promotoren versehen

46 Kleinschmetterling, dessen Larven zuerst an den Maisblättern fressen und sich später in den Stängel oder den Kolben bohren Wirtschaftlich bedeutendster Maisschädling in Deutschland Maiszünsler

47 Zentrale Diskussionspunkte 1. Wirkt das Bt-Toxin tatsächlich nur gegen den Zielorganismus oder werden auch andere Tiere geschädigt? 2. Gibt es eine Resistenzentwickl ung und wird diese durch den großflächigen Anbau beschleunigt?

48 Wirkung auf Nichtzielorganismen

49 Fazit DNA des Bt-Mais wurde im Magen-Darm-Trakt der Rinder abgebaut Es konnte kein Bt-Gen nachgewiesen werden Es war kein horizontaler Gentransfer von pflanzlicher DNA auf Bakterien der Rindes nachweisbar Es wurde kein Unterschied zwischen der Zusammensetzung der Bakterienpopulatuion des Rinderpansen zwischen isogen und transgen gefüttereten Tieren gefunden

50 Umweltwirkung des Bt-Gens

51 Fazit Bei den meisten untersuchten Parametern wurde kein Unterschied zwischen Bt-Maisanbau und konventionellem Maisanbau gefunden Aufgrund vereinzelt festgestellter Bt-Effeke auf einzelne Nützlingsgruppen sowie auf Schmetterlingslarven wird eine Langzeituntersuchung und eine Risikoanalyse empfohlen

52 Resistenzentwicklung Untersuchung zur frühzeitigen Entdeckung einer Resistenzentwicklung des Maiszünslers und zur Aufklärung der Resistenzmechanisme n Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft

53 Versuch Sammlung von überlebenden Maiszünslerlarven in Bt- Maisfeldern Testung der Nachkommen auf gesteigertes Erkennungsvermögen von Bt-Toxin Experimentelle Provokation von Resistenzen im Labor

54 Fazit eine überlebende Larve muss nicht in jedem Fall resistent sein Laut Firmenangaben enthalten bis zu 2% der Pflanzen kein Toxin Es wurden keine resistenten Tiere gefunden

55 Auskreuzung Durch Pollenflug kreuzt transgener Mais auf benachbarte Flächen mit nicht-transgenen Maispflanzen aus. Unter praxisüblichen Bedingungen des großflächigen Anbaus wurden folgende Fragen untersucht: In welchem Maß nimmt die Auskreuzungshäufigkeit mit der Entfernung ab? Welchen Einfluss hat die vorherrschende Windrichtung auf die Auskreuzung?

56 Auskreuzung Bei den Messungen im Jahr 2000 wurde eine mit zunehmender Entfernung starke Abnahme der Auskreuzung festgestellt In Windrichtung ist die Auskreuzung fast doppelt so hoch wie gegen den Wind

57 Auskreuzung

58 Verwendung von Mais als... Popcorn Maisgriess(Polenta) Tortillachips Tacos Maiskeimöl Cornflakes Knabbergebäck Dextropur Maisstärke Тierfutter(Silomais)

59

60 Soja - Hauptanbaugebiete USA (38%) Brasilien (25%) Argentinien (19%) China (7%) Weltweit 226,8 Millionen Tonnen Sojabohnen geerntet (2006)

61 gv Soja - Hauptanbaugebiete

62 gv Soja - Hauptanbaugebiete

63 Kennzeichnungspflicht Kennzeichnungen gesetzlich vorgeschrieben bei Lebensmitteln und Zutaten, die GVO sind oder daraus hergestellt wurden Kennzeichnungspflicht nur ab einem GVO Anteil von 0,9% keine Kennzeichnung von tierischen Produkten, bei denen die Tiere mit GVO gefüttert wurden

64 Sojaprodukte Fette und Öle Lecithine und andere Emulgatoren Vitamin E Sojamehl Sojasaucen Fleisch- und Milchersatz Tierfutter

65 Nachweisbarkeit von GVO im Endprodukt Fette und Öle Lecithine Vitamin E Sojamehl Gebäck mit Sojamehl Sojasauce Tofu etc mit Soja gefütterte Tiere nein ja nein zum Teil zum Teil ja nein nein

66 Herbizidtoleranz gegen Glyphosphat (Round up )

67 Agrobacterium tumefaciens Phytopathogenes Bodenbakterium Ti- Plasmid (Tumorinduzierend) Plasmid kann auf Pflanzen übertragen werden und löst dort Wurzelhalsgallen - krankheit aus

68 Gentransfer in die Sojabohne

69 Weitere Genveränderungen der Sojabohne Anreicherung der AS Methionin veränderte FS Zusammensetzung System zur Produktion von Arzneimitteln (bisher nur experimentell) Toleranz gegen Trockenheit und Salz

70 Raps-Allgemein Anbau weltweit in wintermilden Gebieten der gemäßigten Klimaregionen Rapsanbau früher nicht attraktiv wegen des Gehaltes an Erucasäure und Glucosinolaten Züchtung von 0-Raps und 00-Raps Rapsöl, als Speiseöl und v.a. in Margarine Futtermittel, Rapshonig

71 Raps-Genetik Brassica napus: amphidiploide Hybride Aus einer Bastarddisierung von Brassica rapa (Rübsen) und Brassica oleracea hervorgegangen Genom besteht aus 19 Chromosomen und setzt sich aus 10 bzw. 9 Chromosomen der beiden Ausgangsformen zusammen

72 Entwicklungsziele in der Gentechnik Veränderte Pflanzenentwicklung: männliche Sterilität zur Erleichterung der Züchtung von Hybridsorten Veränderte Produkteigenschaften: z.b. Veränderung in der FS-Zusammensetzung, Anreicherung mit Beta-Carotin Herbizidtoleranz Resistenz gegen Krankheitserreger und Schädlinge Anpassung an Standortfaktoren (Stresstoleranz)

73 Raps MS8, RF3 und MS8xRF3 Ausgangslinien MS8, RF3 sowie deren Nachkommen MS8 x RF3 im März 2007 von der EU-Kommission zugelassen Einfuhr von Samen aus gentechnisch verändertem Raps sowie Verwertung als Futtermittel und zu industriellen Zwecken Anbau in der EU nicht erlaubt Speiseöle aus diesen gv-rapslinien bereits zugelassen

74 Raps MS8, RF3 und MS8xRF3 MS8 x RF3 ist ein Hybrid aus den Rapspflanzen MS8 und RF3 MS8 besitzt eine gentechnisch vermittelte Sterilität das Hybrid besitzt eine Resistenz gegen Herbizide mit dem Wirkstoff Glufosinat

75 Eingeführte Gene in MS8 barnase Gen aus Bacillus amyloliquefaciens Funktion: Produktion für ein bestimmtes Enzym (Ribonuklease), das eine männliche Sterilität vermittelt bar-gen aus Bodenpilz Streptomyces hygroscopius produziert das Enzym Phosphinothricin- Acetylferase (PAT), was der der Pflanze eine Resistenz gegen Glufosinat verleiht

76 Eingeführte Gene in RF3 barstar-gen aus Bacillus amyloliquefaciens Produktion eines Ribonuklease- Hemmstoffes, das die männliche Sterilität aufhebt, damit fertile Nachkommen entstehen bar-gen

77 Raps MS1xRF1, MS1xRF2, TOPAS 19/2 Ende der 90er zugelassen worden MS1xRF1, MS1xRF2 zum Anbau und Gewinnung von Hybrid-Saatgut sowie als Speiseöl und Futtermittel verwendet TOPAS 19/2 als Raffiniertes Öl, Lebensmittelzusatzstoffe, Futtermittel, -zusätze Vermarktungserlaubnis im April 2007 abgelaufen gv-pflanzen entsprechen nicht dem neusten Stand

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80 Pro Pflanze nach Bedarf Amylose-freie Kartoffel (einfachere und kostengünstigere Stärkegewinnung) Transgene dürre- und salztolerante Pflanzen Arzneisoffgewinnung Ertragsmaximierung Ausreichende Versorgung der Weltbevölkerung Lösung der Energieprobleme (Biomasse) geringerer Pestizid- und Herbizideinsatz Entlastung der Umwelt

81 Contra unnatürlicher Eingriff in die Umwelt Störung ökologischer Systeme nicht abschätzbares Gefahrenpotential für den Menschen???

82 Frage: Horizontaler Gentransfer Eine Reihe von in den USA und Europa zugelassenen transgenen Pflanzen enthalten Gene, die für bestimmte Antibiotikaresistenz kodieren Diese Gene sind für die speziellen Eigenschaften der Pflanzen nicht von Bedeutung, jedoch sind sie in der transgenen Pflanze als Konstruktionshilfe gelandet und verbleiben dort Transfer von Resistenzgenen von der Pflanzen DNA in die Bakterien des Darms

83 Diskussion natürliche Folge unseres Fortschritts die Evolution braucht zu lange, die Menschheit wächst zu schnell Bildung neuer Proteine mit erhöhtem Allergiepotential für den Menschen

84 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!!!

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