Zürich, Switzerland
July 21, 2009
Scientists at ETH Zurich have
developed rice plants that contain six times more iron in
polished rice kernels. To accomplish this, the researchers
transferred two plant genes into an existing rice variety. In
the future, the high-iron rice could help to combat iron
deficiency, especially in developing countries in Africa and
Asia.
 According
to the World Health Organization, approximately two billion
people suffer from iron deficiency. They tire easily, experience
problems in metabolizing harmful substances in their bodies and
eventually suffer from anemia. Women and children are
particularly affected in developing countries, where rice is the
major staple food. Peeled rice, also called polished rice, does
not have enough iron to satisfy the daily requirement, even if
consumed in large quantities. For many people, a balanced diet
or iron supplements are often unaffordable.
Rice actually has a lot of iron, but only in the seed coat.
Because unpeeled rice quickly becomes rancid in tropical and
subtropical climates, however, the seed coat - along with the
precious iron - has to be removed for storage. Researchers
working with Christof Sautter and Wilhelm Gruissem in the
laboratory of plant biotechnology at
ETH Zurich have now succeeded
in increasing the iron content in polished rice by transferring
two plant genes into an existing rice variety. Their work was
published today in the online edition of „Plant
Biotechnology Journal".
Genes help to mobilize and store iron
The rice plants express the two genes to produce the enzyme
nicotianamin syn-thase, which mobilizes iron, and the protein
ferritin, which stores iron. Their synergistic action allows the
rice plant to absorb more iron from the soil and store it in the
rice kernel. The product of nicotianamine synthase, called
nicotianamin, binds the iron temporarily and facilitates its
transportation in the plant. Ferritin acts as a storage depot
for iron in both plants and humans. The researchers controlled
the genes introduced in such a way that nicotianamin synthase is
expressed throughout the rice plant, but ferritin only in the
rice kernel. Together, the expression of the genes has a
positive impact on iron accumulation in the rice kernel and
increases the iron content more than six-fold compared to the
original variety.
No negative impacts anticipated
The ETH scientists are excited about the new rice variety. The
prototypes behave normally in the greenhouse and show no signs
of possible negative effects. «Next we will have to test whether
the rice plants also perform well in the field under agronomical
conditions», says Wilhelm Gruissem. The ETH Professor does not
expect the plants to have a negative impact on the environment.
It is unlikely that they will deplete the soil of iron, as iron
is the most abundant metallic element in it.
Distribution to farmers still many years away
The rice plants will have to undergo many greenhouse and field
tests for bio-safety and agronomic performance before the
high-iron rice varieties eventually become available to farmers.
The current prototypes are unsuitable for agricultural
production yet. Although the new rice variety already has an
iron content that is nutritionally relevant, Gruissem wants to
increase it further. After all, many people who suffer from iron
deficiency can only afford one meal per day. If the scientists
manage to increase iron in the rice kernel up to twelve-fold,
one rice meal will be sufficient to satisfy the daily iron
requirement.
The experience with the high-vitamin A „Golden Rice", which was
developed at ETH Zurich in collaboration with researchers at the
University of Freiburg (Germany), has shown that it takes years
before genetically engineered rice can actually be planted by
farmers. The regulatory hurdles and costs involved in making
genetically modified plants available to agriculture and
consumers are very high. The ETH scientists aim to make their
high-iron rice plants available to small-scale and
self-sufficient farmers free of charge.
Hoffnungsschimmer im Kampf gegen Eisenmangel
Wissenschaftlern der ETH Zürich
ist es gelungen, den Eisengehalt in polierten Reiskörnern auf
das Sechsfache zu steigern. Die Forscher übertrugen dazu zwei
pflanzliche Gene in eine bestehende Reissorte. Die Pflanzen
sollen dereinst den Eisenmangel insbesondere in afrikanischen
und asiatischen Entwicklungsländern lindern.
Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation WHO leiden etwa
zwei Milliarden Menschen an Eisenmangel. Diese Menschen ermüden
schnell, können Schadstoffe im Körper nur ungenügend abbauen und
erkranken über längere Zeit an Blutarmut. Besonders davon
betroffen sind Frauen und Kinder in Entwicklungsländern, die
sich hauptsächlich von Reis ernähren. Denn die geschälten
Reiskörner (polierter Reis) enthalten nicht genügend Eisen und
decken selbst bei hohem Konsum den Tagesbedarf eines Menschen
nicht. Eine ausgewogene Ernährung oder Eisenpräparate sind für
viele Menschen in diesen Ländern unerschwinglich.
Im Reis steckt eigentlich viel Eisen – aber nur in der Hülle des
Reiskorns. Da ungeschälter Reis jedoch im tropischen und
subtropischen Klima schnell ranzig wird, muss man zur Lagerung
die Reishülle samt dem wertvollen Eisen entfernen.
Wissenschaftler um Dr. Christof Sautter und Prof. Wilhelm
Gruissem im Labor für Pflanzenbiotechnologie der ETH Zürich
gelang es nun, den Eisengehalt in geschälten Reiskörnern auf das
Sechsfache zu steigern, indem sie zwei pflanzliche Gene in eine
bestehende Reissorte übertrugen. Ihre Arbeit stellen sie in der
aktuellen Online-Ausgabe des «Plant Biotechnology Journal» vor.
Gene mobilisieren und speichern Eisen
Die Reispflanze produziert mit Hilfe der eingebrachten Gene
vermehrt das En-zym Nicotianamine-Synthase, welches das Eisen
mobilisiert, und das Eiweiss Ferritin, welches das Eisen
speichert. Ihr Zusammenspiel sorgt dafür, dass die Reispflanze
mehr Eisen aus dem Boden aufnehmen und dieses Eisen im Reis-korn
anreichern und speichern kann. Das Produkt der
Nicotianamine-Synthase, das Nicotianamin, bindet das aus dem
Boden mobilisierte Eisen vorübergehend und macht das Eisen in
der Pflanze transportfähig. Ferritin ist in der Pflanze ebenso
wie im Menschen ein Depot für Eisen. Die Forscher haben die
Aktivität der eingefügten Gene so gesteuert, dass
Nicotianamine-Synthase in der ganzen Reispflanze gebildet wird,
das Ferritin aber nur im Inneren des Reiskorns. So wirkt sich
das Zusammenspiel der beiden Gene positiv auf den Eisengehalt
des geschälten Reiskorns aus und steigert ihn im polierten Korn
bis auf das Sechsfache gegenüber der Ausgangsreissorte.
Keine negativen Auswirkungen erwartet
Die ETH-Wissenschaftler versprechen sich viel von der neuen
Reissorte. Die Prototypen im Gewächshaus sind äusserlich nicht
von normalen Pflanzen zu unterscheiden und geben keinen Hinweis
auf mögliche Nachteile wie etwa Ernteverluste. «Als nächstes
müssen wir jetzt in Feldexperimenten prüfen, ob die Reispflanzen
auch unter landwirtschaftlichen Bedingungen bestehen können»,
sagt Wilhelm Gruissem. Der ETH-Professor sieht keine Gefahr,
dass sich die genveränderten Pflanzen negativ auf ihre Umwelt
auswirken könnten. Dass die Reispflanzen durch die verbesserte
Eisenaufnahme etwa den Boden auslaugen, ist für den
Wissenschaftler unwahrscheinlich, denn Eisen ist das häufigste
metallische Element im Boden.
Vom landwirtschaftlichen Anbau noch Jahre entfernt
Bis der eisenhaltige Reis angebaut werden kann, müssen die
Forscher im Gewächshaus und im freien Feld viele Untersuchungen
zur Biosicherheit sowie agronomische Tests durchführen. Bis
dahin sind die Prototypen für einen landwirtschaftlichen Anbau
nicht geeignet. Obwohl die neue Reissorte bereits
ernährungsphysiologisch wirksame Eisenmengen enthält, möchte
Gruissem den Eisengehalt in den Reiskörnen weiter steigern. Denn
viele Menschen, die an Eisenmangel leiden, können sich nur eine
Mahlzeit am Tag leisten. Gelänge es den Wissenschaftlern das
Eisen im Reiskorn auf das zehn bis zwölffache zu erhöhen, würde
bereits eine Reis-Mahlzeit ausreichen, um den täglichen
Eisenbedarf eines Menschen zu decken.
Die Erfahrungen mit dem Vitamin-A-haltigen Goldenen Reis, der an
der ETH Zürich und der Universität Freiburg i.Br. entwickelt
wurde, zeigen, dass es Jahre dauert, bis ein genveränderter Reis
tatsächlich angebaut wird. Die regulatorischen Hürden und die
Kosten sind hoch, um gentechnisch veränderte Pflanzen für die
Landwirtschaft und Konsumenten bereitzustellen. Das Ziel der ETH
Wissenschaftler ist, Kleinbauern und Selbstversorgern den
genetisch veränderten Reis kostenlos zur Verfügung zu stellen.
Literaturhinweis
Rice endosperm iron
biofortification by targeted and synergistic action of
nico-tianamine synthase and ferritin
J. Wirth et al. (2009)
Plant Biotechnology Journal, 7: in press.
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