Transgene Pflanzen Anna Junker Caroline Schomburg Martina Mumm Martina Singe Anja Skibiniewsky

Transgene Pflanzen
       Anna Junker
    Caroline Schomburg
      Martina Mumm
       Martina Singe
     Anja Skibiniewsky

Übersicht
•   1. Allgemeines
•   2. Bt-Mais
•   3. Soja
•   4. Raps
•   5. Pro und Contra

Definitionen - Transgen
•   Mittels gentechnischen Verfahren in das
    Erbgut eines Organismus eingebrachtes Gen
•   transgen: gentechnisch verändert
•   Beispiele
     •    transgene Pflanze
     •    transgenes Tier
     •    transgene Mikroorganismen

Definitionen – Transgene Pflanze
• Pflanze, in die ein Gen einer anderen
  Spezies eingebracht wurde
• Übertragung des Gens in Form eines
  geeigneten Genkonstrukts durch
  Rekombinationstechniken
• Unterschied zur klassischen
  Züchtungstechnik:
  – Keine Begrenzung auf eine bestimmte Art

Definitionen - Genkonstrukt
• Die für die Übertragung und Ausprägung
  eines Zielgens notwendige funktionale
  Einheit
• Zusammengesetzt aus Zielgen, Promotor,
  Terminator, anderen Sequenzen (z.B.
  Markergene)

Definitionen - Gentechnologie
• Verfahren, bei dem gezielt in das Erbgut
  bzw. in biochemische
  Steuerungsvorgänge von Lebewesen und
  viraler Genome eingegriffen wird
• beruht auf Kenntnissen der
  Molekularbiologie

Anwendung der Gentechnologie

                 Gentechnologie

     Grüne                             Graue/ Weiße
                 Rote Gentechnologie
Gentechnologie                         Gentechnologie

Grüne Gentechnologie
• Verwendung genetischer Verfahren bei
  der Züchtung von Pflanzen

• Nutzung der gentechnisch veränderten
  Pflanzen in der Lebensmittelindustrie und
  Landwirtschaft

Rote Gentechnologie
• Nutzung in der Medizin und Pharmazie zur
  Entwicklung von
  Diagnoseverfahen,Therapiemöglichkeiten
  und Arzneimitteln angewendet

Graue/Weiße Gentechnologie
• Anwendung gentechnisch veränderter
  Mikroorganismen
• → Herstellung von Enzymen und
  Feinchemikalien
  – In der Industrie
  – In der Mikrobiologie
  – In der Umweltschutztechnik

Verwendete Organismen
•   Pilze
•   Bakterien
•   Algen
•   Tierische Zellen

Natürlicher Mechanismus zur
      Veränderung von Pflanzen
• Restriktionsenzyme schneiden durch
  natürlichen Mechanismus Fremd-DNA in
  kleine Stücke
• Entweder Ausschaltung der Genfunktion
  der fremden DNA
• Oder Aufnahme der kurzen DNA-Stücke in
  das eigene Genom

Gentechnischer Einbau eines Gens in
            eine Pflanze
• Ausschneiden des Gens durch
  Restriktionsenzyme
• Einbau des Gens in einem Vektor mittels
  Ligasen
  – Vektor =    DNA-Abschnitte aus einem
                Bakterium
                Nutzung zur Einschleusung
                des Gens in die Zelle und zur
                Vervielfältigung des Gens

Geschichte
• 1973   Erzeugung des 1. gentechnisch
         veränderten rekombinanten
         Bakteriums
• 1980   Agrobakterium tumefaciens wird
         entdeckt
         » Eigenet sich zur gezielten Einbringung von Genen in
           Pflanzen

• 1982   gentechnisch hergestelltes Insulin
         kommt in den USA auf den Markt

Geschichte
• 1985:    erste Freilandversuche in den USA
• 1986:    USA: gentechnisch veränderter Tabak
           darf erstmals angebaut werden
• 1993:    Freilandversuche mit gentechnisch
           veränderten Zuckerrüben in Deutschland
• 1994:    Verkauf gentechnisch veränderter Tomaten in
           den USA und in Großbritannien
• 1995:    Freilandversuche mit herbizidresistenten
           Pflanzen in der BRD
• Heute:   > 200 gentechnisch Veränderte
           Nutzpflanzen weltweit zugelassen

Weltweiter Anbau transgener
            Pflanzen
Mio Ha

                                Jahr

Anbaugebiete
 %
70
60
50              USA
40              Argentinien
                Kanada
30
                China
20              sonstige
10
0

Gesetzliche Regelungen
• Meldepflicht
  – Anmeldung des geplanten Anbaus 3 Monate im
    voraus
• Aufzeichnungspflicht
  – Pflicht zur Dokumentation darüber, welche Sorte an
    welchem Ort mit welchen Methoden angebaut wird
• Vorsorgepflicht
  – Trennstreifen (20m) zwischen Anbauflächen
  – Gründliche Reinigung verwendeter Geräte zur
    Verhinderung von möglichen Vermischungen

Pflanzenbeispiele und deren
               Hauptanbaugebiete
•   Sojabohnen
         • USA            •   Baumwolle
         • Brasilien              • USA
         • Argentienien           • China
         • Südafrika              • Südafrika
         • Rumänien               • Australien
         • Uruguay                • Indien
         • Mexico
                                  • Mexiko
•   Mais
         • USA                    • Indonesien
         • Argentinien
         • Kanada         •   Raps
         • Südafrika                 • USA
         • Uruguay                   • Kanada
         • Spanien
         • Philippinen
         • Bulgarien
         • Kolumbien
         • Deutschland

Ziele
• Veränderte Produktqualität der Pflanzen
    –   Zusammensetzung der Inhaltsstoffe verändert (Soja, Mais)
    –   Verzögerte Fruchtreife (Tomate, Melone)
    –   Entfernung unerwünschter Inhaltsstoffe (Tabak ohne Nikotin)
    –   Produktion von Arzneimittelwirkstoffen
    –   Optimierung der Pflanze in Bezug auf deren Standort

• Veränderung der agronomischen Eigenschaften der Pflanze
    – z.B. Resistenz der Pflanze gegen bestimmte Krankheiten, Insekten,
      Pilze und Herbizide
    – Sterilität (Raps)
•    Erzeugung von bestimmten Pflanzen zur erleichterten Herstellung
    von Arzneimitteln und Rohstoffen

Virusresistenz (z.B. Zuckerrübe)
• Wurzelbärtigkeit: Viruserkrankung, bei der die befallenen
  Rüben sehr klein bleiben und lange Wurzelbärte haben
• Übertragung über Bodenpilz Polymyxa betae
• Minderbetrag der Landwirte von bis zu 50%

Promblemlösung:
• Einschleusung eines Genes welches für ein
  Hüllenprotein des Virus in die Pflanze
• Verhinderung der Verbreitung des Virus durch
  „Vortäuschen“ einer bereits aufgetretenen Infektion

Virusresistenz (z.B. Zuckerrübe)

Insektenresistenz
• Insektizide sind große Belastung für
  Grundwasser und Flüsse
• Ziel ist Menge an Insektiziden zu verringern
• Bacillus thuringiensis stellt Insekten-Gift (Bt-
  Toxin) her
• Gen zur Herstellung des Giftes aus Bakterium
  isoliert
• Übertragung auf Pflanze (Kartoffel, Mais, …)

Herbizidresistenz
• Glufosinat = unselektives Herbizid
• Blockiert lebenswichtiges Enzym Glutaminsynthetase in
  der Pflanze
• Stickstoff-Stoffwechsel unterdrückt
• Gebildet von Streptomyces (Bodenpilz-Art)
      • Enthalten zum Selbstschutz PAT-Enzym → Umwandlung des
        Glufosinats in biologisch unwirksame Form
• Übertragung des PAT-Enzyms in Pflanzen (Mais, Raps,
  Sojabohnen, Zuckerrüben, Tomaten etc.)
• Nutzpflanzen resistent gegen das Herbizid während
  konkurrierende Unkräuter absterben

Gentransfer
             Verschiedene Methoden
                2 Hauptgruppen
     ⇓                            ⇓
  DIREKT
 INDIREKT
→ bei Monokotylen Pflanzen ist indirekter
 Gentransfer nicht möglich

Direkte Methode
Das Gen wird unmittelbar in die Zelle
 eingeschleust

Genkanone
Elektroporation
Mikroinjektion
PEG-Fusion

Genkanone

Genkanone
Biolistik
  Pflanzenzelle wird mit Mikroprojektilen
  beschossen, die mit Fremd-DNA
  beschichtet sind
Projektile aus Gold oder Wolfram

Genkanone

Elektroporation
• Fremd-DNA wird durch das Anlegen eines
  kurzzeitigen, hohen elektrischen Impulses
  direkt in Protoplasten eingeschleust
Protoplasten und DNA-Lösung werden in
  eine Elektrolytlösung gebracht. Durch den
  Aufbau einer elektrischen Spannung wird
  die Permeabilität der Zellmembran
  kurzzeitig stark erhöht, so dass die
  Aufnahme von Fremd-DANN möglich wird

Elektroporation

Kartoffel-Protoplast nach Elektroporation : Im Zellkern sind
die eingeführten Oligonukleotide durch den Rhodamin-
Farbstoff zu erkennen. (Aufnahme ca. 30 min nach der
Transformation)

Nachteil
• Die Integration der zugesetzten DNA ins
  Genom erfolgt zufällig, die Ausbeute
  stabiler Verbindungen ist relativ gering.

Mikroinjektion
• Anwendung weniger Piezoimpulse kann
  den Durchtritt durch die Membran
  erleichtern.
• Gene aus fremden Organismen können
  nicht unmodifiziert injiziert werden.Deshalb
  muß das Transgen zusätzlich einen
  speziellen Promotor enthalten. Weiterhin
  muß nach dem Strukturgen zur
  Terminierung eine PolyA-Sequenz
  intergriert sein, um die Transkription zu
  beenden.

PEG-Fusion
Zellwände werden mittels Cellulasen
 entfernt
PEG, DNA und Ca2+ hinzugefügt
Osmotischer Schutz: Saccharose
PEG ist ein starkes Detergenz und bewirkt
 eine Durchlässigkeitszunahme der
 Zellmembran

Bt-Mais

Geschichte
• Seit mehr als hundert Jahren ist bekannt, dass
  bestimmte Bodenbakterien eine toxische
  Wirkung auf bestimmte Insekten haben
• 1938 kam das erste kommerzielle Bt-Präparat
  als Pflanzenschutzmittel auf den Markt
• In Deutschland bekam 1964 das erste Bt-
  Präparat seine Zulassung als
  Pflanzenschutzmittel

Bt-Toxin als Pflanzenschutz
• Pflanzenschutzmittel auf Bt-Toxin Basis
  bestehen aus getrockneten Bakteriensporen und
  dem kristallinem Toxin
• Sie finden vorallem im ökologischem Landbau
  Verwendung

    hier 90% aller Schädlingsbekämpfungsmittel!

Zahlen&Fakten
• 1995 die erste Bt-Pflanze, Mais, in den USA
  zugelassen
• Heute wird Bt-Mais auf 14 Millionen Hektar in
  den USA angebaut
• In der EU 2006 nenneswerter Anbau nur in
  Spanien mit 60000 Hektar
• 2006 waren 19% der weltweit auf 102 Millionen
  Hektar angebauten gentechnisch veränderten
  Pflanzen insektenresistente Bt-Pflanzen

Zahlen&Fakten

       • Seit Dezember 2005 in
         Deutschland
         verschiedene Bt-
         Maissorten zugelassen
       • In den östlichen
         Bundesländern 2006
         ca. 1000 Hektar
       • Für 2007 Anbau-
         Standorte mit
         Gesamtfläche 3700
         Hektar angemeldet

Bt-Toxin
    • Für Fraßinsekten
      giftiges Protein, das
      vom
      Bodenbakterium
      Bacillus
      thuringiensis
      gebildet wird
    • Ca. 170
      verschiedene Bt-
      Toxine bekannt

Bt-Toxin
•   Wirkspektrum auf drei Insektengruppen
    beschränkt: -Schmetterlinge, Blattkäfer,
    Zweiflügler
•   Einteilung der Toxine nach ihrem
    Wirtsspektrum, Übereinstimmug ihrer
    Gensequenzen und ihrer Molekülgrößen

Hauptklassen der Toxine
•    5 Hauptklassen (cry=crystal):
1.   CryI: wirkt spezifisch gegen Schmetterlinge
2.   CryII: Schmetterlinge und Zweiflügler
3.   CryIII: Käfer
4.   CryIV: Zweiflügler
5.   CryV: Käfer und Schmetterlinge

Wirkmechanismus

Bt-Maispflanzen
• Erste kommerziell angebaute Bt-Maispflanzen
  enthielten in allen Pflanzenteilen hohe Bt-
  Toxinmengen
• Neuere Bt-Maissorten produzieren geringere
  Toxinmengen und diese auch nur im Stängel
     Bt-Toxine werden mit gewebespezifischen
      Promotoren versehen

Maiszünsler
• Kleinschmetterling,
  dessen Larven
  zuerst an den
  Maisblättern fressen
  und sich später in
  den Stängel oder
  den Kolben bohren
• Wirtschaftlich
  bedeutendster
  Maisschädling in
  Deutschland

Zentrale Diskussionspunkte
1. Wirkt das Bt-Toxin    2. Gibt es eine
   tatsächlich nur          Resistenzentwickl
   gegen den                ung und wird
   Zielorganismus oder      diese durch den
   werden auch andere       großflächigen
   Tiere geschädigt?        Anbau
                            beschleunigt?

Wirkung auf
        Nichtzielorganismen
• http://www.biosicherheit.de/de/mais/#

Fazit
• DNA des Bt-Mais wurde im Magen-Darm-Trakt der
  Rinder abgebaut
• Es konnte kein Bt-Gen nachgewiesen werden
• Es war kein horizontaler Gentransfer von pflanzlicher
  DNA auf Bakterien der Rindes nachweisbar
• Es wurde kein Unterschied zwischen der
  Zusammensetzung der Bakterienpopulatuion des
  Rinderpansen zwischen isogen und transgen
  gefüttereten Tieren gefunden

Umweltwirkung des Bt-Gens
• http://www.biosicherheit.de/de/mais/#

Fazit
• Bei den meisten untersuchten Parametern
  wurde kein Unterschied zwischen Bt-Maisanbau
  und konventionellem Maisanbau gefunden
• Aufgrund vereinzelt festgestellter Bt-Effeke auf
  einzelne Nützlingsgruppen sowie auf
  Schmetterlingslarven wird eine
  Langzeituntersuchung und eine Risikoanalyse
  empfohlen

Resistenzentwicklung
         • Untersuchung zur
           frühzeitigen
           Entdeckung einer
           Resistenzentwicklung
           des Maiszünslers und
           zur Aufklärung der
           Resistenzmechanisme
           n
         • 2001-2004
           Biologische
           Bundesanstalt für
           Land- und
           Forstwirtschaft

Versuch
  • Sammlung von
    überlebenden
    Maiszünslerlarven in Bt-
    Maisfeldern
  • Testung der Nachkommen
    auf gesteigertes
    Erkennungsvermögen von
    Bt-Toxin
  • Experimentelle Provokation
    von Resistenzen im Labor

Fazit
• eine überlebende Larve muss nicht in
  jedem Fall resistent sein

  Laut Firmenangaben enthalten bis zu 2% der
   Pflanzen kein Toxin

  Es wurden keine resistenten Tiere gefunden

Auskreuzung

• Durch Pollenflug kreuzt transgener Mais auf
  benachbarte Flächen mit nicht-transgenen
  Maispflanzen aus. Unter praxisüblichen
  Bedingungen des großflächigen Anbaus
  wurden folgende Fragen untersucht:
  – In welchem Maß nimmt die
    Auskreuzungshäufigkeit mit der Entfernung ab?
  – Welchen Einfluss hat die vorherrschende
    Windrichtung auf die Auskreuzung?

Auskreuzung
• Bei den Messungen im Jahr 2000 wurde
  eine mit zunehmender Entfernung starke
  Abnahme der Auskreuzung festgestellt
• In Windrichtung ist die Auskreuzung fast
  doppelt so hoch wie gegen den Wind

Auskreuzung

Verwendung von Mais als....

              •   Popcorn
              •   Maisgriess(Polenta)
              •   Tortillachips
              •   Tacos
              •   Maiskeimöl
              •   Cornflakes
              •   Knabbergebäck
              •   Dextropur
              •   Maisstärke
              •   Тierfutter(Silomais)

Soja - Hauptanbaugebiete
•   USA (38%)
•   Brasilien (25%)
•   Argentinien (19%)
•   China (7%)

• Weltweit 226,8 Millionen Tonnen
  Sojabohnen geerntet (2006)

gv Soja - Hauptanbaugebiete

gv Soja - Hauptanbaugebiete

Kennzeichnungspflicht
• Kennzeichnungen gesetzlich vorgeschrieben bei
  Lebensmitteln und Zutaten, die GVO sind oder
  daraus hergestellt wurden
• Kennzeichnungspflicht nur ab einem GVO Anteil
  von 0,9%
• keine Kennzeichnung von tierischen Produkten,
  bei denen die Tiere mit GVO gefüttert wurden

Sojaprodukte
• Fette und Öle
• Lecithine und andere
  Emulgatoren
• Vitamin E
• Sojamehl
• Sojasaucen
• Fleisch- und
  Milchersatz
• Tierfutter

Nachweisbarkeit von GVO im
             Endprodukt
•   Fette und Öle               nein
•   Lecithine                          zum Teil
•   Vitamin E                          zum Teil
•   Sojamehl                           ja
•   Gebäck mit Sojamehl                nein
•   Sojasauce                          nein
•   Tofu etc                    ja
•   mit Soja gefütterte Tiere   nein

Herbizidtoleranz gegen
Glyphosphat (Round up®)

Agrobacterium tumefaciens
• Phytopathogenes
  Bodenbakterium
• Ti- Plasmid
  (Tumorinduzierend)
• Plasmid kann auf
  Pflanzen übertragen
  werden und löst dort
  Wurzelhalsgallen -
  krankheit aus

Gentransfer in die Sojabohne

Weitere Genveränderungen der
           Sojabohne

• Anreicherung der AS Methionin
• veränderte FS Zusammensetzung
• System zur Produktion von Arzneimitteln
  (bisher nur experimentell)
• Toleranz gegen Trockenheit und Salz

Raps-Allgemein
• Anbau weltweit in wintermilden Gebieten
  der gemäßigten Klimaregionen
• Rapsanbau früher nicht attraktiv wegen
  des Gehaltes an Erucasäure und
  Glucosinolaten
• Züchtung von 0-Raps und 00-Raps
• Rapsöl, als Speiseöl und v.a. in Margarine
• Futtermittel, Rapshonig

Raps-Genetik
• Brassica napus: amphidiploide Hybride
• Aus einer Bastarddisierung von Brassica
  rapa (Rübsen) und Brassica oleracea
  hervorgegangen
• Genom besteht aus 19 Chromosomen und
  setzt sich aus 10 bzw. 9 Chromosomen
  der beiden Ausgangsformen zusammen

Entwicklungsziele in der
             Gentechnik
• Veränderte Pflanzenentwicklung:
• männliche Sterilität zur Erleichterung der
  Züchtung von Hybridsorten
• Veränderte Produkteigenschaften:
• z.B. Veränderung in der FS-Zusammensetzung,
  Anreicherung mit Beta-Carotin
• Herbizidtoleranz
• Resistenz gegen Krankheitserreger und
  Schädlinge
• Anpassung an Standortfaktoren (Stresstoleranz)

Raps MS8, RF3 und MS8xRF3
• Ausgangslinien MS8, RF3 sowie deren
  Nachkommen MS8 x RF3 im März 2007
  von der EU-Kommission zugelassen
• Einfuhr von Samen aus gentechnisch
  verändertem Raps sowie Verwertung als
  Futtermittel und zu industriellen Zwecken
• Anbau in der EU nicht erlaubt
• Speiseöle aus diesen gv-Rapslinien
  bereits zugelassen

Raps MS8, RF3 und MS8xRF3
• MS8 x RF3 ist ein Hybrid aus den
  Rapspflanzen MS8 und RF3
• MS8 besitzt eine gentechnisch vermittelte
  Sterilität
• das Hybrid besitzt eine Resistenz gegen
  Herbizide mit dem Wirkstoff Glufosinat

Eingeführte Gene in MS8
• barnase Gen aus Bacillus amyloliquefaciens
• Funktion: Produktion für ein bestimmtes Enzym
  (Ribonuklease), das eine männliche Sterilität
  vermittelt
• bar-Gen aus Bodenpilz Streptomyces
  hygroscopius
• produziert das Enzym Phosphinothricin-
  Acetylferase (PAT), was der der Pflanze eine
  Resistenz gegen Glufosinat verleiht

Eingeführte Gene in RF3
• barstar-Gen aus Bacillus
  amyloliquefaciens
• Produktion eines Ribonuklease-
  Hemmstoffes, das die männliche Sterilität
  aufhebt, damit fertile Nachkommen
  entstehen
• bar-Gen

Raps MS1xRF1, MS1xRF2,
           TOPAS 19/2
• Ende der 90er zugelassen worden
• MS1xRF1, MS1xRF2 zum Anbau und
  Gewinnung von Hybrid-Saatgut sowie als
  Speiseöl und Futtermittel verwendet
• TOPAS 19/2 als Raffiniertes Öl,
  Lebensmittelzusatzstoffe, Futtermittel, -zusätze
• Vermarktungserlaubnis im April 2007
  abgelaufen
• gv-Pflanzen entsprechen nicht dem neusten
  Stand

Pro
• Pflanze nach Bedarf
  Amylose-freie Kartoffel (einfachere und
 kostengünstigere Stärkegewinnung)
  Transgene dürre- und salztolerante Pflanzen
   Arzneisoffgewinnung
• Ertragsmaximierung
  Ausreichende Versorgung der Weltbevölkerung
  Lösung der Energieprobleme (Biomasse)
• geringerer Pestizid- und Herbizideinsatz
  Entlastung der Umwelt

Contra
• unnatürlicher Eingriff in die Umwelt
• Störung ökologischer Systeme
• nicht abschätzbares Gefahrenpotential für
  den Menschen ???

Frage: Horizontaler Gentransfer
• Eine Reihe von in den USA und Europa
  zugelassenen transgenen Pflanzen
  enthalten Gene, die für bestimmte
  Antibiotikaresistenz kodieren
  Diese Gene sind für die speziellen Eigenschaften der
 Pflanzen nicht von Bedeutung, jedoch sind sie in der
 transgenen Pflanze als „Konstruktionshilfe“ gelandet und
 verbleiben dort
Transfer von Resistenzgenen von der
  Pflanzen DNA in die Bakterien des Darms

Diskussion
• natürliche Folge unseres Fortschritts
• die Evolution braucht zu lange, die
  Menschheit wächst zu schnell
• Bildung neuer Proteine mit erhöhtem
  Allergiepotential für den Menschen

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!!!