Dynamische Genveränderungen in Pflanzen: Ganz natürlich und ohne Gentechnik

12. Januar 2015 | von:

mais-teosinte2

Die kontroverse Diskussion über Gentechnik in der Landwirtschaft beinhaltet häufig die Vorstellung, dass die vom Menschen angewandten gentechnischen Verfahren mit den natürlichen Prozessen grundsätzlich im Widerspruch seien. Insbesondere bestehen Befürchtungen, dass das Einführen von Genen in die DNA einer Pflanze zu gefährlichen Veränderungen führen könnte, da ja das Gen an einer ganz zufälligen Stelle in die DNA eingefügt wird. Um diese Bedenken zu beurteilen, ist es wichtig, die normalen Vorgänge bei der Weitergabe der DNA an die Nachkommen zu betrachten. Insbesondere muss man sich im Klaren sein, welche konkreten Vorgänge bei der Selektion neuer Pflanzensorten vor sich gehen.

Die Neukombination väterlicher und mütterlicher Eigenschaften

In jedem Chromosom einer Zelle sind die Gene in einem einzigen langen DNA-Molekül hintereinander angeordnet. Dabei handelt es sich um einige tausend Gene, die für Proteine codieren. Zwischen diesen proteincodierenden Genen liegen regulatorische Sequenzen, die die Funktion der Gene steuern. Bei der sexuellen Vermehrung der Pflanzen werden die väterlichen und mütterlichen Chromosomen auf die Nachkommen verteilt. Dabei hat jedes Individuum von jedem Chromosom zwei Stück, die ihrerseits von der mütterlichen und väterlichen Pflanze ererbt wurden.

Während der Entwicklung der Keimzellen, das heißt bei der Bildung des Pollens und der Eizelle, kommt es zu einem Stückaustausch zwischen dem väterlichen und mütterlichen Chromosom, die man als Crossing-over bezeichnet. Es ergibt sich somit bei der sexuellen Vermehrung nicht nur eine Neuverteilung der väterlichen und mütterlichen Chromosomen, sondern durch das Crossing-over auch eine Neukombination zwischen den Chromosomen, so dass innerhalb eines Chromosoms sowohl väterliche als auch mütterliche Eigenschaften vorkommen. Dieses Crossing-over verbindet also Teile der väterlichen DNA mit der mütterlichen DNA. Der Übergang von der väterlichen zur mütterlichen DNA-Sequenz ist rein zufällig und kann zum Beispiel auch innerhalb eines proteincodierenden Gens erfolgen. Es kann somit durch Zufall eine neue Genvariante entstehen, die sowohl Teile des väterlichen als auch des mütterlichen Gens enthält.

Mutationen in der DNA

Das DNA Molekül ist aus den vier unterschiedlichen Bausteinen A, T, C und G aufgebaut und die Reihenfolge dieser Bausteine wird als DNA-Sequenz bezeichnet. Diese DNA-Sequenz legt einerseits den Aufbau der Proteine fest und andrerseits steuert sie als Regulationssequenz die Funktion der Gene. Um die Chromosomen und damit die DNA an die Keimzellen weiterzugeben, werden die DNA-Moleküle kopiert. Dieser Kopiervorgang ist nicht perfekt, so dass in der neu entstanden DNA Fehler, sogenannte Mutationen, auftreten. Dabei können entweder einzelne Bausteine ausgetauscht werden (Punktmutationen), einzelne Bereiche fehlen (Deletionen) oder DNA-Stücke eingeführt werden (Insertionen). Diese Mutationen sind recht häufig, so dass in jeder Keimzelle einer Pflanze etwa fünfzig neue Mutationen anzutreffen sind. Da diese Mutationen an die Nachkommen weitergegeben werden, besitzt die Tochterpflanze nicht nur die Eigenschaften der Elternpflanzen, sondern stets auch neue Eigenschaften.

Große Insertionen und Deletionen

Die Deletionen und Insertionen, die beim Kopieren der DNA entstehen sind in der Regel kurz und umfassen nur einige Bausteine. Größere Deletionen und Insertionen entstehen jedoch durch sogenannte Transposons. Diese Transposons, die man auch als springende Gene bezeichnet, sind DNA Abschnitte, die ihre Position in der DNA verändern und dabei auch von einem Chromosom auf das andere springen können. Hierbei integrieren sie zufällig an einer neuen Stelle in der DNA, so dass sie unter Umständen die Funktion einer regulatorischen DNA beeinträchtigen oder sogar ein proteincodierendes Gen zerstören. Das Potential dieser Transposons ist sehr groß, da bis zu mehr als fünfzig Prozent der DNA in einer Pflanze aus Transposons bestehen kann.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass die Weitergabe der DNA auf die Nachkommen mit sehr vielen zufälligen Veränderungen verbunden ist, so dass in einer Pflanzenpopulation viele genetisch unterschiedliche Individuen vorkommen. Man schätzt, dass dies mehrere Millionen sind. Diese genetische Vielfalt ergibt ein breites Spektrum an unterschiedlichen Wachstumsformen und biochemischen Eigenschaften.

Die durch Zufall entstandene Vielfalt ist für das Überleben einer Pflanzenpopulation sehr wichtig, da unter den verschiedenen Individuen stets Varianten vorhanden sind, die sich an veränderte Bedingungen anpassen können. Der Mensch hat schon seit Jahrtausenden diejenigen Pflanzen ausgewählt, die für seine Bedürfnisse besonders geeignet sind. Diese Auswahl hat zu unseren Kulturpflanzen geführt, deren genetische Ausstattung sich sehr stark von den Ursprungspflanzen unterscheidet.

Genetische Veränderungen bei der Selektion von Kulturpflanzen

Mit den Techniken der Genanalyse sind wir heute in der Lage die genetischen Veränderungen zu erfassen, die der Mensch während Jahrtausenden beim fortlaufenden Auswählen optimaler Pflanzensorten benutzt hat. Am Beispiel des Shattering-Gens erkennt man die genetischen Veränderungen, die der Mensch aus der durch Zufall entstandenen genetischen Vielfalt ausgewählt hat, besonders eindrücklich. Das Shattering-Gen ist bei Gräsern dafür verantwortlich, dass die reifen Körner sich leicht von den Rispen lösen, damit die Samen möglichst rasch auf den Boden gelangen, um zu gegebener Zeit zu keimen. Bei der Ernte von Getreide ist das Verlieren der Samen ein Nachteil, da ein wesentlicher Teil der Körner verloren gehen kann.

Menschen haben daher schon vor langer Zeit solche Gräser-Varianten ausgewählt, bei denen die Samen an der Pflanze hängen bleiben. Molekulare Analysen haben ergeben, dass bei vielen Kulturpflanzen das Shattering-Gen betroffen ist. Beim Reis führt eine Punktmutation, d.h. der Austausch eines einzigen Bausteins (T zu G) in einer Regulationssequenz des Shattering-Gens, zum Verlust des Verlierens der Samen. Der gleiche Effekt ist bei der Hirse zu beobachten, wobei aber in diesem Fall eine Deletion von fünf Bausteinen in der Regulationssequenz des Shattering-Gens für den Funktionsverlust verantwortlich ist. Beim Mais findet man ebenso eine Inaktivierung des Shattering-Gens, wobei hier die Insertion einer langen DNA Sequenz in den proteincodierenden Teil erfolgt ist (siehe Abb. unten).

Ganz entsprechende Mutationen hat man in vielen anderen Genen von Kulturpflanzen festgestellt. In all diesen Fällen hat der Mensch Pflanzen mit bestimmten genetischen Veränderungen ausgewählt, die für seine Bedürfnisse geeignet waren. Dabei handelt es sich eigentlich fast immer um genetische Veränderungen, die zufällig durch Punktmutationen, Deletionen und Insertionen in der Pflanzenpopulation entstanden sind.

Neben diesen vom Mensch ausgewählten genetischen Veränderungen gibt es in jeder Pflanzenpopulation eine Unzahl anderer Mutationen und während der Vermehrung entstehen immer wieder zusätzliche genetische Veränderungen. Die Gene bilden also kein festes statisches Gefüge, sondern sind ein äußerst dynamisches System. Diese Dynamik erlaubt es der Pflanze sich an eine sich verändernde Umwelt anzupassen und ist eine entscheidende Triebkraft in der Evolution. Dabei ist es wichtig zu realisieren, dass die fortlaufenden genetischen Veränderungen völlig zufällig erfolgen und häufig die Funktion von Genen zerstören. Wird hierbei ein Gen betroffen, das für die Pflanze lebensnotwendig ist, wird diese Pflanze sterben. Mutationen in Genen, deren Funktion nicht lebenswichtig ist, können unter Umständen in der Population über lange Zeit vorhanden bleiben.

Konsequenzen der genetischen Dynamik

Da die Dynamik der genetischen Vielfalt, die offensichtlich zu einer kontinuierlichen Zerstörung einzelner Gene führt, in Pflanzen allgegenwärtig ist, stellt sich die Frage, ob dadurch in der Pflanze möglicherweise giftige Substanzen entstehen, die die Gesundheit des Menschen gefährden könnten. Aus den Erfahrungen der letzten Jahrhunderte wissen wir, dass aufgrund der fortlaufenden genetischen Veränderungen nicht ganz neue Gifte in den Pflanzen produziert werden und somit für den Menschen keine Gesundheitsgefährdung besteht. Wir wissen aber auch, dass bei Pflanzen vorhandene kleinere Giftmengen durch genetische Veränderungen ansteigen können. Dies trifft zum Beispiel für die Kartoffel zu, die kleine Mengen an Solanin, einem giftigen Glycoalkaloid, enthält. Aus diesem Grund wird bei neu gezüchteten Kartoffelsorten stets geprüft, ob der Gehalt an Solanin nicht angestiegen ist, bevor eine Marktzulassung erfolgt.

Das Einfügen von Genen durch Gentechnik entspricht den natürlicherweise ablaufenden Vorgängen

Aus der Erkenntnis, dass die Vermehrung von Pflanzen mit einer fortlaufenden genetischen Veränderung verbunden ist, die zur zufälligen Zerstörung einzelner Gene führt, können wir die eingangs gestellte Frage beantworten. Die Befürchtung, dass das künstliche Einführen eines Gens zu gefährlichen Veränderungen führen könnte, ist nicht gerechtfertigt. Wir wissen ja, dass jede Pflanze eine Unzahl von genetischen Veränderungen aufweist, die auch Insertionen von DNA-Sequenzen beinhaltet. Damit ist das vom Menschen vorgenommene Einführen von Genen an einen zufälligen Ort mit dem natürlich vorkommenden Prozess vergleichbar. Der Vorgang des Einführens eines Gens führt somit zu keiner neuartigen Veränderung der Pflanze, die grundsätzlich anders ist als die natürlich vorkommenden Ereignisse, die der Menschen über Jahrtausende bei der Selektion von Kulturpflanzen ausgenutzt hat.

Natürliche Veränderungen im Shattering-Gen von Gräsern: Ein wichtiger Schritt zur Kulturpflanze

Natürliche Veränderungen im Shattering-Gen von Gräsern: Ein wichtiger Schritt zur Kulturpflanze. – Foto oben: Mit der Züchtung hat sich die Erscheinungsform des Maises – und damit auch das Genom – deutlich verändert: Teosinte, die Ursprungspflanze, frühe Maisformen und heutige Kultursorten (von links nach rechts)

Prof. Dr.  Gerhart U. Ryffel leitete bis 2011 die Arbeitsgruppe Entwicklungsbiologie des Instituts für Zellbiologie (Tumorforschung) am Universitätsklinikum Essen. 2012 schrieb er für den Synthesebericht des Schweizer Nationalen Forschungsprogrammes “Nutzen und Risiken der Freisetzung gentechnisch veränderter Pflanzen” einen Beitrag zu biogenen Pflanzen.

 

 

Mehr zum Thema bei Gute Gene, schlechte Gene:

 

Kommentare

Keine Kommentare

Kommentieren