Pflanzenbiotechnologie. Pflanzenbiotechnologie. Herausforderungen und Chancen. Wilhelm Gruissem. ETH Zürich. Luzern 24. Juni 2005.

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1 Pflanzenbiotechnologie Herausforderungen und Chancen Wilhelm Gruissem Pflanzenbiotechnologie ETH Zürich Luzern 24. Juni 2005

2 Über tausende von Jahren hat die Landwirtschaft den Menschen wertvolle und ausreichende Nahrung geliefert SWISS FARMERS WELCOME YOU.

3 die in entwickelten Ländern häufig zu übermässiger und/oder falscher Ernährung führt TIFF (Uncompressed) decompressor Gesundheitsrisiken von Übergewicht DIABETES: Über 80% der Menschen mit Diabetes sind übergewichtig. Übergewichtige Menschen entwickeln mit zweifach höherer Wahrscheinlichkeit Typ 2 Diabetes. VORZEITIGER TOD: Übergewicht erhöht das Todesrisiko. Schätzungen ergeben dass in den USA über 300,000 Todesfälle auf Übergewicht zurückzuführen sind. KREBS: SCHLAF APNEA: Verschiedene Arten von Krebs sind häufig mit Übergewicht korreliert. Eines des häufigsten Probleme von Übergewicht. ARTHRITIS: Jede Zunahme von 2 Pfund an Körpergewicht erhöht das Risiko Athritis zu entwickeln um 9 bis 13%. Athritis Symptome verbessern sich mit Gewichtsabnahme.

4 TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to to see this picture. are needed to to see this picture. in die Wiege gelegt? Es ist wahrscheinlich kein Zufall, dass die völlige Umstellung in den 80er Jahren auf Süssmittel, die aus Mais gewonnen werden, mit dem Beginn der Fettleibigkeit und Type 2 Diabetes Epidemie in diesem Land (USA) zusammenfällt. Michael Pollan When a crop becomes king NY Times Op Ed

5 aber die grössten Herausforderungen bleiben Hunger und Mangelernährung von Milliarden von Menschen. Was sind die Aussichten auf Verbesserung? Afrika, 2004 Trockenheit in Afrika Pollution of water streams

6 Warum brauchen wir Gentechnologie Erfolge in der Pflanzenwelt? 2025: 90% der landwirtschaftlichen Produktion wird in den Entwicklungsländern benötigt 0.45 Weltbevölkerung Source: World Resources Institute In den nächsten 50 Jahren müssen wir mehr Nahrung produzieren als jemals bevor in der Geschichte der Menschen Landwirtschaftlich Nutzfläche / Kopf (ha) Source: United Nations

7 Der zunehmende Anbau von GVO sieht beeindruckend aus, aber es gibt nur vier GVO Pflanzensorten, die weltweit angebaut werden. Alle wurden von privaten Firmen in den U.S.A. entwickelt und anschliessend von Entwicklungsländern adoptiert. (Baumwolle, Mais, Soja, Raps mit Herbizidtolerannz oder Insektenresistenz ). Clive James ISAAA 2005 Neue und bessere GVO Sorten werden unter der gegenwärtigen GVO Regulierung aber kaum eine Chance haben zur Nahrungsicherung beizutragen.

8 Was wurde bisher erreicht? * Hybrid Canola

9 Herausforderung Schweiz: Verbesserung der Umwelt mit Grüner Gentechnologie Bodenbelastung mit Schwermetallen (+ Fluor) in der Schweiz html. Umweltstatistik Schweiz 2002, BfS

10 Herausforderung Schweiz: Pflanzenschutz und Grüne Gentechnologie Einsatz von Pflanzenschutzmitteln in der landwirtschaftlichen Produktion

11 Herausforderung Schweiz: Pflanzenschutz und Grüne Gentechnologie Wasserbelastung durch Pflanzenschutzmittel (PSM) in der Schweiz Grundwasser vre_p.pdf >0.1µg/l gilt als bedenklich BUWAL: Messkampagne Pflanzenschutzmittel im Grundwasser 2002/03

12 Chance Schweiz: Wissenschaftler brauchen Grüne Gentechnologie

13 Chance Schweiz: Schweizer Grüne Gentechnologie ist internationale Spitze eine der meist zitierten Publikationen 2000 bis 2002 kommt aus der Schweizer Grünen Gentechnologie

14 Chance Schweiz: Goldener Reis zur Verbesserung der menschlichen Ernährung ETH Zürich / Uni Freiburg (D) Grundlagenforschung (anwendungsorientiert) Wissen über spezielle Themen Prototypen Proof of principle Problem (1994): Reiskörner enthalten kein Vitamin A. VitA Mangelkrankheiten Kann man VitA im Reiskorn erzeugen? Welche Gene braucht es dazu? Ye et al., Science 287, (2000) Es geht, aber der Gehalt ist niedrig Syngenta Optimierung bessere Reis Linien Paine et al., Nature Biotechnology 23, (2005) Zehnfach höherer Gehalt durch Optimierung der verwendeten Gene IRRI... Anwendung????

15 Chance Schweiz: Maniok (Cassava) Die vergessene Nahrungspflanze für 600 Millionen Menschen Vorteile: Billige Quelle von Kohlehydraten Hohe Toleranz gegenüber ungünstigen Bedingungen Verlässlicher Ertrag und flexibele Erntezeit Vegetative Fortpflanzung Probleme: Maniok wird von verschiedenen Insekten und Viren befallen Die stärkereichen Wurzeln haben wenig Protein Blätter haben einen guten Protein- und Vitamingehalt, aber eine kurze Lebensdauer Die Wurzeln verderben schnell nach der Ernte Züchtung ist schwierig und langwierig

16 Maniok wird in Länder angebaut wo auch der Hunger am grössten ist

17 Menge an Nahrungsmittel die verzehrt werden muss, um den erforderlichen täglichen Bedarf an essentiellen Aminosäuren zu decken Cassava Rice Potato Corn Plantain wheat Beef Egg Cassava Potato Plantain Beef

18 Herausforderung Nr. 1: Der Gehalt an essentiellen Aminosäuren in Maniok kann durch ein Designerprotein (ASP1) verbessert werden Monomer MLEELFKKMTEWIEKVIKTMG P Dimer G GMTKIVKEIWETMKKFLEELMR P G Trimer RMLEELFKKMTEWIEKVIKTMG P Tet ramer G MTKIVKEIWETMKKFLEELMR ß-Turns Hydrophobic Hydrophobic Hydrophilic ß-Turn M L E E L F K K M T E W I E K V Hydrophilic EAA composition of ASP1 Others 20% Ile 10% Leu Val 10% 5% Trp Lys 5% 20% Thr Phe 10% Met 5% 15% I K M T XbaI HindIII HindIII Tetramer (11.2KD) monomer 35S! hpt p35s NOS! ASP1 p35s p35s uida(int) NOS! Jaynes et al., 1992 LB ASP1 probe UidA probe RB

19 Das ASP1 Designerprotein wird in das Maniok Genom integriert und korrekt exprimiert Southern Western M P Wt Leaf ASP1 probe Wt KD UidA probe Primary root Wt Northern Wt KD ASP1 probe rrna Zhang et al. (2003) Transgenic Research, 12:

20 Herausforderung Nr. 2: Die Verlängerung der Lebensspanne von Maniok Blättern verbessert den Zugang zu Proteinen und Vitaminen Strategie psag12 ipt Nos! mrna Blattseneszenz Cytokinin Isopentenyl Transferase Seneszenzinhibition Einbau und Expression des Isopentenyl Transferase (ipt) Gens unter Kontrolle des seneszenz-spezifischen Promoters SAG12 kann die Lebenspanne der Blätter verlängern durch eine autoregulatorische Seneszenzinhibition.

21 GV-Maniok Blätter zeigen eine erhöhte Lebensdauer und verbessern somit den Zugang zu Vitaminen and Proteinen PCR mit ipt Primern M P Wt bp Southern Analyse mit der ipt Genprobe M P Wt U E U E U E U E U E U E U E U E U E 21 kb 3.5 kb 1.6 kb U: undigested; E: EcoRI RT-PCR Expressionsanalyse mit ipt Primern M P Wt bp Kontrolle

22 GV-Maniok Pflanzen zeigen eine erhöhte Trockenresistenz und verbessern damit die Nahrungssicherheit Kontrolle Pflanzen wurden einen Monat nicht gewässert (Source: CIAT)

23 Herausforderung Nr. 3: Virus Epidemien in Maniok in Afrika

24 Virus Krankheiten in Maniok in Afrika

25 Gesunde Pflanze Krankheit nach Virusinfektion

26 180, ,000 Maniok Produktion in der Western Province, West-Kenya, average Ertrag (Tonnen) 140, , ,000 80,000 60,000 40,000 > 110,000 t 20,

27 Strategie: Verhinderung der Virus Vermehrung im Maniok durch Expression von Virus antisense RNAs (= Impfung) Antisense RNA Konstrukte 35Sp Hm AC1 35S! 35Sp Hm AC2 35S! 35Sp Hm AC3 35S! Rep (AC1) TrAP (AC2) CR DNA A ~2.8 kb REn (AC3) AV2 CP (AV1) CR AV2 CR Rep DNA A ~2.8 kb DNA B ~2.7 kb CP NSP TrAP MPB REn Transgene Cassava Virus Infektions Test

28 Resistenter ( geimpfter ) GV-Maniok zeigt nach starker Virusinfektion verminderte oder keine Symptome ASAC3-16 ASAC3-8 ASAC3-31 Infektion in transgener Kontrolle Infektion in transgenen ACMV-resistenten Linien

29 Herausforderung Nr. 4: Pflanzen als Bioreaktor zur Produktion pharmazeutischer Proteine

30 1 Pflanzen als Bioreaktor Vorteil Vorteile Niedrige Investitionskosten Produktionszeitrahmen (Monate) Unbegrenzte Produktionskapazität Niedrige Produktionskosten Kein Risiko bzgl. Pathogen-kontamination essbare Pflanzen/teile Komplexe Proteine werden korrekt produziert Nachteil Limitationen Einige spezielle Proteinmodifikationen Aufreinigung Regulatorisches Netzwerk muss erst entwickelt werden

31 Produktion von CaroRx in Tabak zur Bekämpfung von Karies 7. April 2005

32 Produktion eines monoklonalen Antikörpers in Reis zur Bekämpfung von Krebs T84.66 bindet an CEA (karzinoembryonisches Antigen), das auf der Oberfläche von vielen Krebszellen vorkommt. 1 kg transgene Samen enthalten 30 mg scfv84.66 Für den therapeutischen und diagnostischen Einsatz benötigt man ungefähr 10 mg markierten scfv84.66 pro Behandlung.

33 Können wir und die Entwicklungsländer uns den Europäischen GVO Luxusprotest leisten? Nein, denn wir brauchen Verbesserung der Nahrungsqualität und Ernährung Verbesserung der Gesundheit Nahrungssicherheit Einkommen Ökonomisches Wachstum in der Landwirtschaft Nachhaltiges Management von natürlichen Resourcen Verbesserung von Forschung, Wissen und Technologie

34 Danke an das ETH Zürich Pflanzenbiotechnologie Team und an viele Kollegen, die zu diesem Vortrag beigetragen haben Cassava Biotechnologie Dr. Peng Zhang Herve Vanderschuren Martin Stupak Mit Unterstützung von Zentrum für Internationale Landwirtschaft Eiselen-Stiftung-Ulm ETH Zürich Reis Biotechnologie Dr. Christof Sautter Susanna Poletti Mit Unterstützung von Professor Emeritus Ingo Potrykus (Golden Rice)