Bei bisher üblichen Methoden der Gentechnik ist es zwar möglich, gezielt bestimmte Gene in das Erbgut eines Organismus einzuschleusen, doch diese Gene entfalten typischerweise unspezifisch in allen Zellen des Organismus ihre Wirkung. Noch ungenauer ist die klassische Pflanzenzüchtung: Hier müssen Züchter auf zufällige günstige Genmutationen hoffen, die sie zwar mit Hilfe von Chemikalien oder radioaktiver Strahlung wahrscheinlicher machen, aber nicht gezielt beeinflussen können. Angesichts der rapiden Umweltveränderungen durch den menschengemachten Klimawandel ist es ein wichtiges Forschungsziel, Nutzpflanzen so präzise wie möglich zu verändern, um sie für die neuen Gegebenheiten fit zu machen.
Programmiercode für Pflanzen
Ein Team um Jennifer Brophy von der Stanford University in Kalifornien hat nun am Beispiel der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) eine neue Methode angewendet, die dieses Ziel näher rücken lässt: Die Forscher entwickelten sogenannte synthetische genetische Schaltkreise, mit denen sie Gene in einzelnen Bereichen einer Pflanze gezielt regulieren können, ohne dass der Rest der Pflanze davon betroffen ist. Ähnlich wie ein Computercode funktionieren die Gen-Schaltkreise mit bestimmten Schaltern, die abhängig von den sonstigen Gegebenheiten Gene und weitere Signalwege an- und ausschalten.
„Unsere synthetischen genetischen Schaltkreise ermöglichen es uns, sehr spezifische Wurzelsysteme oder sehr spezifische Blattstrukturen zu entwickeln“, sagt Brophy. „Damit machen wir das Engineering von Pflanzen viel präziser.“ Über tausend potenzielle Schaltkreise entwickelte und testete ihr Team. 188 davon erwiesen sich als nützlich. Diese stellen die Forscher nun auch anderen Gruppen in einer Datenbank für synthetische DNA zur Verfügung. Damit bilden sie eine Grundlage für zukünftige Weiterentwicklungen in diesem Bereich.
Anpassungen an den Klimawandel
Die Einsatzmöglichkeiten der synthetischen genetischen Schaltkreise in Pflanzen demonstrierten Brophy und ihr Team an der Ackerschmalwand. Sie kombinierten mehrere Schalter, um das Wurzelwachstum der Pflanze gezielt und vorhersagbar zu beeinflussen. Indem sie die Expressionsstärke eines Gens veränderten, konnten sie die Dichte der Verzweigungen im Wurzelsystem verändern. „Die Form des Wurzelsystems einer Pflanze beeinflusst ihre Fähigkeit, wichtige Nährstoffe im Boden zu erreichen und bei Trockenheit Wasser aufzunehmen“, erklären die Forscher. Beispielsweise ist ein flaches, weit verzweigtes Wurzelsystem besser in der Lage, Phosphor zu absorbieren, da dieser vor allem in der Nähe der Oberfläche vorkommt. Ein tiefes Wurzelsystem dagegen kann besser Wasser und Stickstoff aufnehmen.
