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Nicht nur einzelne Gene verändern, sondern ganze Chromosomen-Stücke austauschen – ein deutsches Pflanzenforscherteam hat die Einsatzmöglichkeiten der molekularen Schere CRISPR-Cas9 auf eine neue Ebene gehoben. Das Team um Holger Puchta vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Kollegen des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben berichten über diese Weiterentwicklung des Genome Editing im Fachjournal „Nature Plants“. Der Europäische Forschungsrat hat das Projekt namens CRISBREED mit einem Advanced Grant in Höhe von 2,5 Mio. Euro gefördert.

Ganze Chromosomen-Stücke ausgetauscht

Das Erbmolekül DNA eines Organismus wird während Zellteilungen in eine Reihe von Paketen verschnürt, die sogenannten Chromosomen. Jedes Lebewesen trägt eine charakteristische Zahl an Chromosomen. „Auf den Chromosomen sind in festgelegter Reihenfolge die einzelnen Gene angeordnet“, erläutert Puchta. „Bisher ließen sich mit CRISPR-Cas nur Veränderungen in einzelnen Genen erreichen. Nun können wir ganze Chromosomen verändern und neu zusammensetzen.“ Durch den Einsatz des CRISPR-Cas-Systems haben die Forscher gezielt sogenannte Translokationen herbeigeführt - einen wechselseitigen Umbau der Chromosomen-Arme. Dabei war es in Zellen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana gelungen, die Arme der Chromosomen 1 und 2 sowie 1 und 5 miteinander zu tauschen.

Damit lassen sich auch Gene trennen, die bislang nebeneinander auf dem Chromosom lagen und daher eng gekoppelt waren. Weil die Veränderungen dauerhaft und erblich sind, bietet das große Chancen für die Pflanzenzüchtung: „Wir haben nun die Möglichkeit, die Veränderung von Chromosomen gerichtet zu steuern und Verknüpfungen zwischen Merkmalen gezielt zu festigen oder aber zu lösen“, freut sich Puchta und blickt optimistisch nach vorn: „In Zukunft wird diese kontrollierte Umstrukturierung des Genoms die Pflanzenzüchtung revolutionieren.“

Vorteil gegenüber klassischer Züchtung

In der klassischen Züchtung basiert die Optimierung der Sorten darauf, Elternpflanzen auszuwählen, die erstrebenswerte Eigenschaften kombinieren. Werden diese auf natürliche Weise vererbt, werden damit meist auch jene Eigenschaften mitvererbt, deren ursächliche Gene in räumlicher Nähe des Gens für die wünschenswerte Eigenschaft liegen. Genetiker sprechen dabei von gekoppelten Genen, weil ein Nachkomme meist beide oder keines der Gene erhält. Bei besonders enger Kopplung kann es daher unmöglich sein, auf natürlichem Weg ein unerwünschtes Merkmal aus einer Sorte zu entfernen, ohne auch das positive Merkmal zu verlieren. Der Einsatz von klassischer Gentechnik insbesondere in Europa in der Pflanzenzüchtung wenig akzeptiert, weil dabei Fremdgene in einen Organismus eingeführt werden. Die Genom-Editierung hingegen ist ein dritter Weg, der diese Thematik umgeht. Hierbei werden lediglich bereits vorhandene Gene einer Pflanze in einer Weise verändert, wie es auch durch natürliche Vorgänge erfolgen könnte.

bl/pg

Not just changing individual genes but replacing entire chromosome pieces - a German team of plant researchers has taken the application possibilities of the CRISPR-Cas9 molecular scissors to a new level. The team around Holger Puchta from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and colleagues from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben report on this further development of genome editing in the journal "Nature Plants". The European Research Council has funded the project named CRISBREED with an Advanced Grant of 2.5 million euros.

Entire chromosome pieces exchanged

An organism's DNA molecule is tied up in a series of packets, the so-called chromosomes, during cell division. Every living being carries a characteristic number of chromosomes. "The individual genes are arranged in a fixed order on the chromosomes," explains Puchta. "So far, CRISPR-Cas has only been able to achieve changes in individual genes. Now we can alter entire chromosomes and reassemble them." By using the CRISPR-Cas system, the researchers have specifically induced so-called translocations - a mutual remodeling of the chromosome arms. In cells of the model plant Arabidopsis thaliana, the researchers succeeded in exchanging the arms of chromosomes 1 and 2 as well as 1 and 5.

This allows the separation of genes that were previously located next to each other on the chromosome and were therefore closely coupled. Because the changes are permanent and hereditary, this offers great opportunities for plant breeding: "We now have the possibility to control the alteration of chromosomes in a directional way and to strengthen or loosen links between features in a targeted manner," Puchta is pleased and looks ahead optimistically: "In the future, this controlled restructuring of the genome will revolutionize plant breeding."

Advantage over classical breeding

In classical breeding, variety optimization is based on selecting parent plants that combine desirable traits. If these traits are inherited naturally, then in most cases those traits are also inherited whose causal genes are located in close proximity to the gene for the desirable trait. If these are inherited in a natural way, the properties whose causative genes are in close proximity to the gene for the desired property are usually also inherited. Geneticists speak of coupled genes, because a descendant usually receives both or none of the genes. In the case of particularly close coupling, it may therefore be impossible to remove an undesirable characteristic from a variety by natural means without also losing the positive characteristic. The use of classical genetic engineering in plant breeding, especially in Europe, is little accepted because it involves introducing foreign genes into an organism. Genome editing, on the other hand, is a third way around this issue. It simply modifies existing genes of a plant in a way that could be done by natural processes.