Ein Team vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) hat einen bedeutenden Fortschritt in der Pflanzenforschung erzielt, indem es erstmals gelang, Chromosomen von Pflanzen mit umfangreichem Erbgut, wie Weizen, gezielt zu verkleinern oder sogar vollständig zu eliminieren. Diese bahnbrechenden Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Plant Communications“ veröffentlicht und könnten die Züchtung neuer Weizensorten erheblich beschleunigen.
Bisher war es eine große Herausforderung, Chromosomen in Pflanzen mit großen Genomen, wie Weizen, gezielt zu manipulieren. Während solche Techniken bei Modellorganismen wie Arabidopsis thaliana bereits etabliert sind, blieb die gezielte Bearbeitung in Nutzpflanzen eine komplexe Aufgabe. Das IPK-Forschungsteam setzte dabei auf die Genschere CRISPR/Cas, um sich auf die sogenannten Satelliten-DNA-Abschnitte zu konzentrieren. Diese bestehen aus sich häufig wiederholenden DNA-Sequenzen, die sich als ideale Zielstrukturen für die Genbearbeitung erwiesen haben.
Die grundlegende Idee hinter dieser Methode ist, dass durch mehrere gleichzeitige Schnitte in den identischen DNA-Sequenzen das gesamte Chromosom beeinflusst werden kann. Um diese Schnitte effizient durchzuführen, nutzte das Forschungsteam ein virusbasiertes System, mit dem die CRISPR-Komponenten in die Pflanzen eingeführt wurden. Dieser innovative Ansatz umging die langwierigen und aufwendigen traditionellen Transformationsprozesse, was die Effizienz der chromosomalen Veränderungen deutlich steigerte.
Dr. Jianyong Chen, der Erstautor der Studie, erläutert: „Unsere Forschung zeigt zum ersten Mal, dass es möglich ist, Chromosomen durch gezielte Schnitte an Satelliten-DNA effizient zu verkleinern.“ Diese Erkenntnis stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da derartige Veränderungen zuvor nur zufällig auftraten. Man kann sich diesen Vorgang wie das Schneiden eines Seils vorstellen: Wenn man an mehreren Stellen gleichzeitig schneidet, wird das Seil instabil und reißt – genau das geschieht auch mit den Chromosomen, wenn viele Schnitte gleichzeitig gesetzt werden.
In einigen Fällen führte die neuartige Methode sogar dazu, dass ganze Chromosomen nicht nur verkleinert, sondern komplett verloren gingen. Prof. Dr. Andreas Houben, der Leiter der Arbeitsgruppe „Chromosomenstruktur und Chromosomenfunktion“ am IPK, erklärt: „Wenn zu viele Brüche entstehen, kann die Zelle das Chromosom nicht mehr reparieren, was zu einem vollständigen Verlust führt.“ Interessanterweise können fehlerhafte Reparaturprozesse auch neue Chromosomenformen, sogenannte Isochromosomen, erzeugen. „Die Vielzahl an Schnitten kann dazu führen, dass Chromosomen neu zusammengesetzt werden und völlig neue genetische Strukturen entstehen“, fügt er hinzu.
Diese Methode hat nicht nur das Potenzial, bestehende Chromosomenstrukturen zu zerstören, sondern kann auch die Schaffung neuer genetischer Varianten ermöglichen. Diese neuen Varianten bieten eine vielversprechende Grundlage für die Züchtung von Weizensorten mit spezifischen, gewünschten Eigenschaften. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass das Erbgut von Pflanzen gezielter verändert werden kann als bisher angenommen. Besonders bemerkenswert ist, dass die Satelliten-DNA, die lange Zeit als genetischer Ballast galt, nun als Schlüsselregion für moderne Züchtungswerkzeuge identifiziert wurde.
Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten zur effizienten Bearbeitung der Chromosomenstruktur und -anzahl in Nutzpflanzen mit großen Genomen. Laut den Wissenschaftlern des IPK könnte dies der entscheidende Schritt sein, um gezielt gewünschte Eigenschaften von wilden Verwandten in die modernen Weizensorten zu übertragen. Insgesamt zeigt diese Forschung, wie weit die Wissenschaft in der gezielten Genbearbeitung vorangekommen ist, und sie bietet vielversprechende Perspektiven für die Zukunft der Pflanzenzüchtung.
Für weitere Informationen steht Prof. Dr. Andreas Houben als Ansprechpartner zur Verfügung.
