Die Sicht der Wissenschaft

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1 Die Sicht der Wissenschaft Prof. Dr. Bernd Müller-Röber MPI - MP

2 Verwendung von Pflanzen P f l a n z e n Tiere für die menschliche Ernährung (Nahrungsmittel) für die industrielle Nutzung (Holz, Öl, Ethanol, Baumwolle, etc.) 2

3 Begrenztes Ackerland steigende Weltbevölkerung bebaubares Land weltweit begrenzt ha pro Kopf ha pro Kopf ha pro Kopf -> die Richtung nachhaltige Sicherstellung und Intensivierung der Pflanzenproduktion ist vorgezeichnet Nahrungspflanzen versus stoffliche Verwertung 3

4 Umweltveränderungen: Wasserknappheit, Trockenheit Quelle: 4 Und andere Probleme: Veränderung von Pathogenspektren Erhöhung der Nachttemperatur: Abnahme der Fertilität Einfluss auf stoffliche Zusammensetzung, Ertrag

5 Limitierender Wachstumsfaktor Wasser (Getreideerträge,Trockenjahr 2003 im Vergleich) Brunsch, ATB Bornim

6 IAG Globaler Wandel- Regionale Entwicklung Akademievorlesung, 1. Juli

7 Spanien unter Glas?

8 Pflanzenzüchtung: Am Anfang der Wertschöpfungskette Pflanzenzüchtung, genetische Optimierung Q: CIMMYT

9 Genetische Optimierung von Nutzpflanzen Teosinte nicht abgereift gute Samenverbreitung reife Samen Science, 2003, vol. 302 moderner Mais, mit essbaren Körnern

10 Züchtung verändert Pieter Bruegel der Ältere,

11 Genomanalyse: Identifizierung von Genen Jede Pflanze hat Gene Zellwachstum, Zellteilung Stoffwechsel Transkription Verteidigung, Alterung zelluläre Kommunikation nicht klassifiziert weitere Funktionen Was ist die Funktion dieser Gene? Wie koordinieren sie das pflanzliche Wachstum? Wie Ackerschmalwand tragen sie zu Reis, Mais, Gerste, Kaffee,... agronomisch relevanten Eigenschaften (Arabidopsis thaliana) bei? 11

12 Wenn man die Funktion eines Gens kennt, kann man rascher und zielgerichteter züchten. Die Funktion eines Gens wird heute fast ausschließlich mittels grüner Gentechnik ermittelt.

13 Agrobacterium tumefaciens als Gen-Ingenieur T-DNA Chromosom Ti-Plasmid T-DNA Kern Tumor- Induktion Chromosom Agrobacterium tumefaciens Transformierte Pflanzenzelle Wurzelhalsgalle Taiz & Zeiger, Plant Physiology

14 Gentransfer: mittels Agrobacterium tumefaciens Callus Tabakblatt, in kleine Scheiben geschnitten, in Agrobacterium - Suspension inkubiert

15 Neue Technologien: Ultraschnelle Sequenzierung Enorme Steigerung der Sequenziergeschwindigkeit! Neue Gene können gefunden werden, z.b. in Wildarten. Wird unser Wissen über Gene und ihre Varianten wesentlich vertiefen! 15

16 Resistenz gegenüber Kraut- und Knollenfäule normale Kartoffel GV-Kartoffel mit zwei Genen einer Wild-Kartoffel

17 Sequenzierung pflanzlicher Genome Brachypodium distachyon Manihot esculenta (Cassava) Gossypium (cotton) Populus trichocarpa (poplar) Mimulus guttatus Aquilegia formosa Arabidopsis lyrata Capsella rubella Sorghum spp. Physcomitrella patens (moss) Arabidopsis thaliana Oryza sativa (rice) Vitis vinifera (grapevine) Carica papaya (papaya) temperate grass; model for energy plants important food crop; grows under diverse conditions great relevance for e.g. textile industry model tree; compact genome ecological and evolutionary studies; speciation studies ecological and evolutionary studies same genus as A. thaliana; speciation studies same order as A. thaliana; tropical crop; C4 photosynthesis simple morphology; homologous recombination possible molecular and genomics model plant (dicot) important crop; C3 photosynthesis wine production nutritional benefits and medicinal applications 17 Genome vieler anderer Pflanzen bald bekannt.

18 Metabolomics in Lotus spp. unter Salzstress Si O O Si O N Si O O Si O Si (qt_msri_id_eigtms_142) M000040_A _METB-METB_ _TRUE_Glucose, D- (1MEOX) (5TMS) Diego H. Sanchez, AG Kopka GC-TOF L. japonicus Gifu Salz-behandelt Kontrolle

19 Umfangreiches Methodenspektrum für die moderne Pflanzenzüchtung Gentechnik Vergleichende Genomforschung Plastidentechnologie Ultraschnelle Sequenzierung Copyright: rkm.com.au Somatische Hybridisierung Lycopersicon pennellii 19 Smart Breeding Lycopersicon esculentum

20 Identifizierung wichtiger Gene durch Pflanzengenomik Hier: basierend auf Aktivierung von Genen nach Trockenstress (multi-parallele quantitativer RT-PCR >2.200 TFs, ~400 weitere Gene Caldana et al., 2007; Ruzicic et al., nicht publ. Auswahl von Genen für pflanzliche Optimierung

21 Verbesserung der Toleranz gegenüber Trockenheit Ausgangspflanze optimierte Pflanze Veränderung eines Reiseigenen Gens! 21 Reis

22 Forschungsprogramme zur Erhöhung der Trockentoleranz Im Test: trockentolerante, transgene Weizensorten (DREB TF); Kommerzialisierung in ~5 Jahren

23 Visionäre Ziele: auf dem Weg zum C4-Reis höhere Photosynthese-Effizienz, insbesondere bei höheren Temperaturen reduzierte Photorespiration geringerer Wasserbedarf

24 Visionäre Ziele: auf dem Weg zum C4-Reis The advances in rice biotechnology, however, have also generated new concerns related to biosafety, conservation of rice genetic diversity, intellectual property rights and access. In this respect, the International Rice Commission believes that national capacity building is urgently required to ensure that new innovations benefit local people and do not incur long-term costs to the environment.

25 Lignocellulose: die am meisten vorhandene Biomasse 25 Besser angepasste Pflanzen und neue Ansätze in der Biotechnologie könnten helfen, den Zugang zu diesem Biomaterial zu verbessern Lignin komplex, variabel, hydrophob, resistent gegenüber chemischem und enzymatischem Abbau

26 Verbesserte Biomasseproduktion durch gezielte Pflanzenzüchtung Erhöhte Biomasseproduktion durch Veränderung der photomorphogenetischen Reaktion (R/FR-System) Food, Feed, Fibre, Fuel Leicht prozessierbare Cellulose, Hemicellulose, Lignin; zielgerichtete Biomasse-Zusammensetzung und wertgesteigerte Chemikalien Erhöhte Photosynthese; Optimierte Photoperiode; Optimierte Kronen-/ Blattarchitektur Pathogenresistenzen; Kälte-/Trockentoleranz; Blütensterilität Regulierte Dormanz; Verzögerte Blattalterung Bessere Kohlenstoff- Verteilung: Stammdurchmesser vs. Höhenwachstum Reduktion des Wurzelsystems: Maximierung der oberirdischen Biomasse; Optimierte Stickstoffaufnahme und - nutzung Q: Ragauskas et al. (2006) Science, 311, ; verändert

27 Verbesserte Biomasseproduktion durch gezielte Pflanzenzüchtung Erhöhte Biomasseproduktion durch Veränderung der photomorphogenetischen Reaktion (R/FR-System) Erhöhte Photosynthese; Optimierte Photoperiode; Optimierte Kronen-/ Blattarchitektur Pathogenresistenzen; Kälte-/Trockentoleranz; Blütensterilität Regulierte Dormanz; Verzögerte Blattalterung Food, Feed, Fibre, Fuel Amflora-Kartoffel mit Amylopektinstärke Golden Rice 2011 Philippinen Leicht prozessierbare Cellulose, Hemicellulose, Lignin; zielgerichtete Biomasse-Zusammensetzung und wertgesteigerte Chemikalien Trockentoleranter Mais, 2012 Bessere Kohlenstoff- Verteilung: Stammdurchmesser vs. Höhenwachstum Phytophthora-Resistenz in Kartoffel Reduktion des Wurzelsystems: Maximierung der oberirdischen Biomasse; Optimierte Stickstoffaufnahme und - nutzung Verbesserte K-Aufnahme in Baumwolle, China Reis mit verbesserter Überflutungstoleranz, Asien Q: Ragauskas et al. (2006) Science, 311, ; verändert

28 Schlussfolgerungen Gentechnik ist für die experimentelle Forschung heute unersetzlich. In der moderne Pflanzenzüchtung wird sie zunehmend in Kombination mit anderen Methoden der genetischen Veränderung eingesetzt: Smart Breeding, genomische Selektion, Cisgen-Technologie. Genomforschung erleichtert die Identifizierung und Charakterisierung neuer Gene von agronomischer und bioökonomischer (Food-, Feed-, Fibre-, Fuel-) Relevanz. Es mangelt leider noch immer an einer breiten gesellschaftlichen Akzeptanz dieser Technologie.

29 29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

30

31 Gly-Reis: Salz- und Trockentoleranz Salinity tolerance Drought tolerance WT DC31-2 Salinity stress (EC 10ds/m) WT DC WT DC d drought Salinity stress (EC 10ds/m) WT DC WT DC 12 days after rewatering following 16 d drought 90 days after rewatering following 16 d drought Courtesy: Sneh Pareek and S.K.Sopory, ICGEB, New Delhi

32 Pflanzen brauchen viel Wasser - Unterschied zwischen C3- und C4-Pflanzen - Getreide:750- >2500 l Wasser pro kg Korn - Reis und Mais: l pro kg Brunsch, ATB Bornim

33 African Agricultural Technology Foundation Partnership for Developing Water Efficient Maize for Africa (WEMA) Sylvester O. Oikeh WEMA Project Manager AgriBusiness Forum June 2009, Cape Town, South Africa

34 WEMA Partnership World leader for breeding maize for African agro-ecological zones Monsanto World leader in gene discovery, trait development and trait licensing Expertise in field trials Test DT maize Capacity building opportunities CIMMYT WEMA NARS AATF Unique African institution mandated to access and deliver proprietary technologies to African farmers (Sylvester O. Oikeh, WEMA Project Manager)

35 Global: Zunahme des GV-Anbaus 2009: 134 Mio. Hektar Soja Mais Baumwolle Raps Zuckerrübe GV-Anteil 77% 26% 49% 12% 9% 14 Mio. Landwirte (davon 13 Mio. in Entwicklungsund Schwellenländern) meist Insekten- und Herbizidtoleranz Q.: / ISAAA

36 Sub1: macht Reis überflutungstolerant Samba Samba-Sub1 Samba Samba Samba-Sub1 submergence for 17d IRRI, DS 2007 Samba Samba-Sub Q.: Sigrid Heuer

37 nur die Kulturpflanze mit neuer Genvariante aus der Wildpflanze wird weiter kultiviert gewünschte Genvariante vorhanden? Kreuzungsnachkommen nein nein nein nein ja nein Analyse auf DNA-Ebene Gentransfer Gen, das die gewünschte Eigenschaft vermittelt 39 Kulturpflanze Wildpflanze mit interessanter Genvariante wissensbasierte Selektion vorteilhafter Genvarianten Smart Breeding wissensbasierte Integration / Modifikation vorteilhafter Genvarianten durch Transformation Kulturpflanze Gentransfer

38 Auswahl gentechnisch veränderter Nutzpflanzen Mehr als 150 Pflanzenarten erfolgreich gentechnisch modifiziert, darunter sehr viele Nutzpflanzen Bis heute wurden weltweit mehrere Tausend Gene, in Pflanzen eingeführt; Grundlagenforschung! Obst Apfel Banane Birne Erdbeere Kiwi Melone Papaya Pflaume Wassermelone Wein Gemüse Aubergine Blumenkohl Broccoli Chicorée Karotte Kopfsalat Kürbis Olive Tomate Süßkartoffel Zucchini Getreide Gerste Hirse Mais Reis Roggen Sorghum Weizen Hölzer Eukalyptus Pappel Sonstige Nutzpflanzen Baumwolle Futterrübe Kaffee Luzerne Raps Sarepta-Senf Sojabohne Tabak Zuckerrohr Zuckerrübe Heute: > 100 transgene Nutzpflanzen weltweit zugelassen

39 Cis-gene Pflanzen: Gezielte Optimierung arteigener Gene Gene, Genbestandteile, etc. arteigenen Ursprungs Aber: Technisch relevante Enzyme evtl. nicht integrierbar zurück übertragene (eigene) DNA Pflanze mit neuen Eigenschaften lat. cis, diesseitig Modified from: