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Pflanzengentechnik

Nachtschattengewächse (Solanaceae)

Der Tabak (Nicotiana tabacum), die Tomate (Lycopersicon esculentum) und die Kartoffel (Solanum tuberosum) gehören zu den Nachtschattengewächsen, die wirtschaftlich besonders wichtig sind.

Tabak

Der Tabak ist aus der Kreuzung von zwei Spezies (N. tomentosiformis und N. sylvestris) mit jeweils 2 x 12 Chromosomen entstanden. Durch eine gentechnischen Erhöhung des Anteils an ungesättigten Fettsäuren in den Membranlipiden (d.h. durch eine Steigerung der Anzahl an Doppelbindungen in den Fettsäuren) gelang es, die Kältetoleranz des Tabaks zu steigern. Zum Schutz vor Insektenfraß wurden in Tabak-, Kartoffel- und Luzernepflanzen fremde Gene eingebracht, die für Proteinase-Hemmer codieren. Proteinase-Hemmer werden in vielen Pflanzen gebildet, wenn eine Verwundung beispielsweise durch Insekten oder Pilze verursacht wurde. Die Schadorganismen nehmen den Proteinase-Inhibitor mit der Nahrung auf, so dass es zu einer unzureichenden Verdauung der Nahrung kommt und sie verhungern. Durch die Transformation wird eine hohe Expression von Proteinase-Inhibitoren in den transgenen Pflanzen erzielt, was die Pflanze wirkungsvoll vor Insektenfraß schützt.

Um eine Resistenz gegenüber Pilzen zu erzeugen, wurden Tabakpflanzen mit einem Chitinase-Gen der Bohne transformiert. Pilze enthalten in ihrer Zellwand Chitin, das aber in Pflanzen nicht vorkommt. Chitinasen sind von einigen Pflanzen produzierte Enzyme, die die Zellwand von Pilzen lysieren können.

Eine andere Bedrohung für die Tabakpflanzen ist das Tabakmosaikvirus (TMV). Dieses RNA-Virus codiert vier Polypeptide, unter anderem für das Hüllprotein. Indem man einen durch Agrobacterium-vermittelten Gentransfer durchführt, erhält man transgene Pflanzen, die das TMV-Hüllprotein exprimieren. Die transgenen Tabakpflanzen erweisen sich als resistenter gegenüber einer TMV-Infektion.

Tomate

Bei der Tomate ist Ziel der gentechnischen Veränderung eine Verbesserung von Qualität und Lagerfähigkeit. Durch Transformation von Tomaten ist es gelungen, die Tomatenreife zu hemmen. Unter Benutzung von Agrobacterium als Vektor wird dazu eine Antisense-RNA eines Enzyms aus dem Ethylen-Stoffwechsel in die Tomatenpflanzen eingebracht. Ethylen (Ethen, H2C=CH2) ist ein Phytohormon und stellt einen von mehreren Faktoren dar, die zum Weichwerden der Früchte beitragen. Die Antisense-RNA wird in den transgenen Tomatenpflanzen exprimiert, was dazu führt, dass die Tomaten nicht weich werden und so unreif transportiert werden können. Die Reifung wird anschließend mit Ethylen vollendet.

Durch die Expression eines Hüllproteins des Tabakmosaikvirus wird die Tomate vor der Infektion mit diesem Virus geschützt werden.

Abb.1
Abb.2

Kartoffel

Bei der Kartoffel konnte durch die Expression einer ADP1)-Glucose-Pyrophosphorylase aus E. coli - dieses Enzym katalysiert einen essenziellen Schritt in der Stärkesynthese - der Stärkegehalt erhöht und somit der Wassergehalt verringert werden. Dies ist für die Verwendung der Kartoffel als Nahrungsmittel wichtig. Für die Anwenung als Industrierohstoff kann die ADP-Glucose-Pyrophosphorylase in der Kartoffel aber auch mit Hilfe einer Antisense-RNA gehemmt werden. Diese gentechnisch veränderten Kartoffelknollen enthalten nur 3,5 % des normalen Stärkegehaltes, weil sie vor allem Saccharose speichern. Die Saccharose wird durch das Einbringen von weiteren Genen in den Industrierohstoff Polyglucan umgewandelt.

Der Knollenertrag der Kartoffel kann auch auf einem anderen Weg gesteigert werden. Dazu werden gentechnische Methoden eingesetzt, um die Invertase-Aktivität im Apoplasten der Kartoffel zu erhöhen. Das Enzym Invertase spaltet Saccharose in Glucose und Fructose. Die Stärkespeicherung in der Kartoffel erfolgt wahrscheinlich vor allem über die Saccharose-Synthase, die neben einem weiteren Enzym Saccharose in Fructose und Glucose-1-phosphat umwandelt. Die Stärkesynthese kann jedoch auch durch die verstärkte Nutzung des alternativen Umsetzungs- und Speicherweges erhöht werden.

Mit gentechnischen Methoden wird außerdem versucht, die Kartoffel wie auch andere Nutzpflanzen vor Insektenfraß zu schützen. Zum einen werden Fremdgene, die Proteinase-Hemmer codieren, in das Pflanzengenom integriert. Zum anderen werden Pflanzen mit Genen für Bt-Proteine transformiert, die sie dann in geringen Mengen produzieren. Proteinase-Hemmer inhibieren die spezifischen Proteinasen von Tieren und Mikroorganismen. Werden die Inhibitoren mit der Nahrung aufgenommen, kann die Nahrung nur unzureichend verdaut werden und der Organismus verhungert. Die Bt-Proteine sind für bestimmte Insekten toxisch. Sie werden von dem Bakterium Bacillus thuringensis gebildet. Dieses schon seit vielen Jahren eingesetzte biologische Insektizid bindet im Insektendarm an Rezeptoren, wodurch die Resorption der Nahrung negativ beeinflusst wird. Die Insekten verhungern, während die Bt-Proteine für den Menschen nicht toxisch sind.

Abb.3
Abb.4
1)ADP: Adenosin-diphosphat
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