Karlsruhe, Germany
April 24, 2012
- New gene targeting method uses natural repair mechanism of plants
- Gene manipulation efficiency is increased by two orders of magnitude
Thale cress blossom: Common thale cress (Arabidopsis thaliana) is used as a model plant in many biotechnology experiments. (Photo: H. Puchta/ KIT)
Crop plants have always been adapted to the needs of man by breeding for them to carry more fruit, survive droughts, or resist pests. Green biotechnology now adds new tools to the classical breeding methods for a more rapid and efficient improvement of plant properties. A biotechnological technique developed by KIT botanists to more precisely and reliably install or modify genetic information in the plant genome is now presented by the expert journal PNAS. (DOI: 10.1073/pnas.1202191109).
The new method is based on the natural repair mechanism of plants. So-called homologous recombination repairs the genome when the genome strands in the cell break. “Using an appropriate enzyme, i.e. molecular scissors, we first make a cut at the right point in the genome and then supply the necessary patch to repair this cut,” says Friedrich Fauser from Karlsruhe Institute of Technology, who is the first author of the PNAS publication. “A part of this patch is the new gene piece we want to install. The rest is done by the repair service of the cell.”
Due to this trick, the method that is referred to as “in planta gene targeting” (IPGT) is highly reliable and the new genetic information is incorporated in the genome precisely at the point desired. In principle, IPGT may be applied to every plant. “This is a big advantage compared to conventional methods that work for certain plants only and produce a lot of rejects,” explains Professor Holger Puchta, who holds the Chair for Molecular Biology and Biochemistry of Plants at Karlsruhe Institute of Technology. “Thanks to appropriate molecular scissors and patches and the natural repair mechanism of the cell, IPGT is about 100 times more efficient than techniques used so far.”
With their experiments on the model plant of thale cress (Arabidopsis thaliana), the researchers of KIT, in cooperation with the company SunGene GmbH, a subsidiary of BASF Plant Science having its office at Gatersleben, have now succeeded in furnishing evidence of the fact that IPGT works in plants. “The next step towards broader application in biotechnolgoy will be the transfer of the principle to other plants and the development of appropriate scissors and patches,” says Puchta. In this way, the favorable properties of wild species can be transferred rapidly to crop plants. The long-term objective is the optimum use of natural resources for the production of food and vegetable raw materials.
The paper in the portal of the journal PNAS:
http://www.pnas.org/
The homepage of the working group of Professor Puchta.
http://www.botanik2.uni-karlsruhe.de/591.php
Karlsruhe Institute of Technology (KIT) is a public corporation according to the legislation of the state of Baden-Württemberg. It fulfills the mission of a university and the mission of a national research center of the Helmholtz Association. KIT focuses on a knowledge triangle that links the tasks of research, teaching, and innovation.
PNAS: Präzise molekulare Chirurgie im Pflanzengenom
- Neues Verfahren zum Einbau von Erbgut nutzt natürlichen Reparaturmechanismus der Pflanzen
- Effizienz des Erbguteinbaus um zwei Größenordnungen zu bisherigen Verfahren gesteigert
Die Blüte der Ackerschmalwand: Als Modellpflanze dient die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) in vielen biotechnologischen Versuchen (Foto: H. Puchta, KIT)
Nutzpflanzen werden seit jeher durch Züchtung an die Bedürfnisse des Menschen angepasst, um etwa größere Früchte zu tragen, Trockenheit standzuhalten oder Schädlingen zu widerstehen. Die grüne Biotechnologie stellt neue Werkzeuge an die Seite der klassischen Zuchtmethoden und verbessert die Pflanzeneigenschaften so schneller und effizienter. Im Fachjournal PNAS stellen Botaniker des KIT nun ein biotechnologisches Verfahren vor, mit dessen Hilfe Geninformationen präziser und verlässlicher in pflanzliches Erbgut eingebaut oder verändert werden können. (DOI: 10.1073/pnas.1202191109).
Im Zentrum des neuen Verfahrens steht einer der natürlichen Reparaturmechanismen von Pflanzen. Die sogenannte homologe Rekombination repariert das Erbgut in dem Fall, dass die Erbgutstränge in der Zelle vollständig durchreißen. „Wir erzeugen daher zunächst durch ein passendes Enzym, also eine molekulare Schere, einen Schnitt an der richtigen Stelle im Erbgut und sorgen dann dafür, dass auch genau der richtigen Flicken zur Reparatur parat liegt“, sagt Friedrich Fauser vom Karlsruher Institut für Technologie und Erstautor der PNAS-Veröffentlichung. „Teil des Flickens ist das neue Gen-Stück, das wir einbauen wollen. Den Rest erledigt der Reparatur-Service der Zelle von alleine.“
Durch diesen Kniff wird das Verfahren, das „in planta Gene Targeting“ (IPGT) genannt wird, sehr zuverlässig und baut die neue Erbinformation sauber und präzise an der gewünschten Stelle im Ergbut ein. Zudem ist IPGT im Prinzip bei jeder Pflanzenart anwendbar. „Das ist ein großer Vorteil zu bisherigen Methoden, die nur bei bestimmten Pflanzen funktionieren und zudem eine Menge Ausschuss produzierten“, erklärt Professor Holger Puchta, Leiter des Lehrstuhls Molekularbiologie und Biochemie der Pflanzen des Karlsruher Instituts für Technologie. „Dank der richtigen molekularen Scheren und Flicken sowie unter Ausnutzung des natürlichen Flick-Prozesses der Zelle ist IPGT etwa 100-mal effizienter als bisherige Verfahren.“
Mit den Versuchen an der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) ist den Forschern des KIT nun in Kooperation mit der Firma SunGene GmbH, einer Tochtergesellschaft der BASF Plant Science mit Sitz in Gatersleben, der prinzipielle Nachweis gelungen, dass IPGT bei Pflanzen funktioniert. „Der nächste Schritt zur breiteren Anwendung in der Biotechnologie wird es sein, das Prinzip auch auf andere Pflanzen zu übertragen und passende Scheren und Flicken zu entwickeln“, so Puchta. So können etwa die bekannten vorteilhaften Eigenschaften von Wildarten schnell auf Kulturpflanzen übertragen werden. Langfristiges Ziel der Wissenschaftler ist es, die natürlichen Ressourcen für die Produktion von Nahrung und pflanzlichen Rohstoffen optimal zu nutzen.
Das Paper im Portal des Journals PNAS:
http://www.pnas.org/
Die Homepage der Arbeitsgruppe von Prof. Puchta
http://www.botanik2.uni-karlsruhe.de/591.php
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