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Pflanzenbiotechnologie
Wintersemester 2017/18 Jörg Geistlinger
Hochschule Anhalt Institut für Bioanalytische Wissenschaften (IBAS)
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Begriffsklärung
Pflanzen (Plantae) Pflanzen sind photo-autotrophe mehrzellige Eukaryoten Charakteristika: Photosynthese (Chlorophyll a und b) Stärke als Reserve-Polysaccharid Zellwand aus Cellulose Taxonomie nicht abgeschlossen. Es gibt mehrere Systeme!
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Photo-autotrophe Organismen:
Chloroplastida
Cyanobakterien Algen Landpflanzen
„freilebende Chloroplasten“ (Prokaryoten)
Rotalgen Braunalgen Grünalgen
Wasserpflanzen
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Pflanzenbiotechnologie = Samenpflanzen
(Spermatophyta/Embryophyta) Ausnahme: Physcomitrella (Laubmoos)
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Jede Pflanzenzelle hat 3 Genome ! • Kern DNA – nDNA (nukleäre DNA) • mitochondriale DNA – mtDNA • chloroplastidäre DNA – cpDNA (ptDNA)
cpDNA und mtDNA werden nur maternal vererbt !
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Pflanzen • Erreichen das höchste Alter – bis 5.000 Jahre
• Größte Lebewesen > 100 m
• Produzieren den Sauerstoff, von dem wir leben
• Produzieren den größten Teil der chemisch gebundenen Energie
(Nahrung, Brennstoff)
• Produzieren die größte Vielfalt chemischer Verbindungen
(Sekundärmetabolite)
• Produzieren Baustoffe, Dämmstoffe, Fasern
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Biotechnologie Definition (OECD)
Biotechnologie ist die Anwendung von Wissenschaft
und Technik auf lebende Organismen oder Teile von
ihnen zwecks Veränderung lebender oder
nichtlebender Materie
• zur Erweiterung des Wissensstandes
• zur Herstellung von Gütern
• zur Bereitstellung von Dienstleistungen
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Klassische Biotechnologie existiert seit Jahrtausenden
Brot, Bier, Wein seit ca. 5.000 Jahren (Bäcker-, Brauer- und Weinhefen)
einzellige PILZE (Saccharomyces cerevisea, Kloeckera apiculata)
• Milchverarbeitung (Meilenstein: Haltbarmachung)
• Käseherstellung (Lactobacillus)
• gesäuertes Brot (Sauerteig)
• Fermentation von Sauerkraut bis Sojasauce
• Essigherstellung erst vor ca. 400 Jahren (1650)
Gerberei (Lederherstellung) seit ca. 30.000 Jahren
Gerbstoffe, Denaturierung (Harnstoff, Laugen, Enzyme z.B. Proteasen)
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Moderne Biotechnologie Meilensteine der Entwicklung: Luis Pasteur (Sterilisation, Reinkulturen) – 1867 Robert Koch (inaktivierte Krankheitserreger) Impfung – 1890 Alexander Fleming (Antibiotikum) aus Penicillium crysogenum – 1929 James Watson & Francis Crick Aufklärung der DNA Struktur – 1953
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Biotechnologie heute ist multidisziplinär
Naturwissenschaften
Biologie, Mikrobiologie, (Bio)Chemie, (Bio)Physik,
Molekularbiologie/Molekulargenetik
Ingenieurwissenschaften
Verfahrens- und Prozesstechnik, Mess- und Regeltechnik
Computerwissenschaften
(Bio)Informatik
Medizin
Nutzung von Enzymen, Zellen, Geweben oder ganzen Organismen
in technischen Anwendungen 10
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Medizinische Diagnostik, Arzneimittel (Impfstoffe, Antikörper, Proteine, niedermolekulare Substanzen), Gentherapie, Regenerations- und Reproduktionsmedizin
Mikro- u. Makroalgen, Schwämme, Quallen, Weichtiere, Fische Wirkstoffe, Nahrungsergänzungsmittel, Kosmetika, Energie, Bausteine für die „Chemische Industrie“ (auch anorganisch)
Abfall-Verwertung/Entgiftung, Dioxine, Phenole, polyzyklische aromatische polychlorierte CH-Stoffe Aerobe/anaerobe Kompostierung, Vergärung, Verrottung etc.
Bioremediation oder biologische Sanierung - Einsatz von Organismen zur biologischen Entgiftung von Ökosystemen (Prokaryonten, Pilze oder Pflanzen)
Enzyme (Waschmittel, Textilien, BioTec, Lebensmitteltech) Vitamine, Hormone, Grundstoffe f. Synthesen (Aminosäuren, Fettsäuren, Zucker, Alkohole) Biopestizide, Biokunststoffe 11
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Pflanzenbiotechnologie
Suche nach wertvollen Inhaltstoffen in verschiedenen Pflanzengruppen
Weiterhin ein wichtiger Teilaspekt !
Geschätzt: ca. 500.000 Pflanzenarten
Bekannt: ca. 380.000 Arten
Detailliert beschrieben: weniger als 200.000 Arten
Prominente Forschungsansätze:
Ethnobotanik –
ITPGR: Internationaler Vertrag über pflanzengenetische Ressourcen
Extreme Umwelteinflüsse extremophile Organismen (Pflanzen) 12
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Wirkstoff-Screening in sog. Bio-Assays
WANTED: Anti-Substanzen !
ANTI- -biotisch, -mikrobiell, -bakteriell, -fungal, -viral, -parasitär…
-stress, -oxidativ, -aging…
-entzündlich (-phlogistisch, -inflammatorisch), -rheumatisch…
-kanzerogen, -alzheimer, -parkinson…
Pflanzenschutz: insektizid, nematozid, arachnozid, fungizid…
Wirkstoffbibliotheken mit 100tausenden von Substanzen
werden auf Zellkulturen, Zelllinien oder Proteinen getestet
Voraussetzung: Automatisierung, Robotik
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Technik
• Mess- und Regeltechnik
• Verfahrens- u. Prozesstechnik
Agrar- und
Gartenbauwissenschaften
• Pflanzenbau
• Pflanzenernährung
• Phytomedizin
• Physiologie
Biologie
• Mikrobiologie
• Genetik
• Zellbiologie
• Zellkulturtechnik
Bioinformatik
• Sequenzverarbeitung
• Datenmanagement
Biochemie
• Molekularbiologie
• Gentechnik
Chemie
• Naturstoffchemie
• Lebensmittelchemie
Pflanzen- biotechnologie
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Definition Pflanzenbiotechnologie
Entwicklung, Optimierung und Nutzung biotechnologischer Verfahren zur Steigerung der Effizienz pflanzlicher Produktion. Entwicklung von Nutzpflanzen mit innovativen Eigenschaften für zukünftige Herausforderungen (Weltbevölkerung, Klimawandel, Rohstoffe, Energie).
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Welche „innovativen Eigenschaften“ sind erwünscht?
• Hohe Erträge (verstärkter Blütensatz, früher Blühzeitpunkt)
• Erhöhter Nährwert (Qualität)
• Nährstoffeffizienz, nachhaltige Produktion
• Wachstum an marginalen Standorten
„magere Böden“ oder große Höhen
• Resistenz gegen Krankheiten und Schädlinge (biotischer Stress)
• Toleranz gegen abiotischen Stress
Trocken-/Wasser-Stress, Salz-/osmotischer-Stress, UV-Stress
Schwermetall-/Chemikalien-Stress, oxidativer Stress
• Erhöhte Widerstandsfähigkeit (Resilienz)
• Erhöhte Haltbarkeit (post-harvest traits)
• Verbesserte Silage-Eigenschaften
• Pflanzen als Bioreaktor (Antikörper, Impfstoffe etc.) 16
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Anwendungsgebiete der Pflanzenbiotechnologie
• Entwicklung neuer Verfahren zur Pflanzenvermehrung
• Beschleunigung der klassischen Pflanzenzüchtung
• Identifizierung / Isolierung agronomisch relevanter Pflanzengene
• Schaffung Pathogen- u. Schädlingsresistenz, stresstolerante Pflanzen
• Schaffung von Pflanzen mit verbesserter Qualität
• Effiziente Produktion nachwachsender Rohstoffe
• Entwicklung von Pflanzen für pharmazeutisch/technische Rohstoffe
• Gentechnische Methoden (Klonierung und Transformation)
• Zellkulturtechniken (z.B. in-vitro Vermehrung, Gewebekulturen)
• Bioverfahrenstechnik (Stoffverwertung, Fermentation, Fraktionierung)
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Grüne Biotechnologie
Grüne Gentechnik Pflanzen-Biotechnologie
In-vitro Kulturen Mikropropagation
Protoplastenkulturen Antherenkulturen
Kalluskulturen Embryokulturen
Ohne gezielte
Manipulation des Erbguts
Isolierung Charakterisierung
Vermehrung von DNA
Neukombination von Genen mit Transfer in Wirtsorganismus (Transformation = Gentechnik)
auch über Artgrenzen hinweg
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Gentechnik / Gentransfer direkter Gentransfer indirekter Gentransfer
Ohne Anwendung von Vektoren
Entfernung der Zellwand (Protoplasten)
Einbringen des Genmaterials durch
• Detergenzien
• Elektroporation
• Liposomen
• Partikelbeschuss (Gene-Gun)
• Mikroinjektion
Verwendung von Vektoren (Genfähren)
Klonierung d. Genkonstrukts in Plasmid
Transfer d. Plasmids in den Vektor
Vektoren sind phytopathogene
Bakterien oder Viren
Infektion von Pflanzenzellen mit Vektor
Dadurch Einbringung des Genmaterials
Integration in Pflanzen-Chromosom
Agrobacterium tumefaciens
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Gentechnik in Anwendung
Herbizidtoleranz – Glyphosat (RoundUp), Glufosinat (Basta, Liberty)
Mais, Raps, Soja, Baumwolle, Zuckerrübe
Insektentoleranz - Bacillus thuringensis Toxin
Bt-Mais, Baumwolle, Erdnuss
Virusresistenz - Expression Hüllprotein oder antisense RNAs
Papaya, Gartenbohne, Pflaume, Kürbis, Kartoffel, Paprika, Tomate
Bakterienresistenz - Feuerbrand Erwinia amylovora – Apfelsorte GALA (cisgen)
enthält kein Transgen (Resistenzgen aus Sibirischem Holzapfel)
Pilzresistenz - Apfelschorf (Venturia inaequalis), Sorten GALA und REMO (cisgen)
- Banane / Fusarium oxysporum, Panamakrankheit, transgen, steril
- Kartoffel/Tomate – Phytophthora infestans (Oomycota) Kraut/Knollenfäule
Trockentoleranz - über Wurzelsystem und Spaltöffnungen manipuliert
- ABA Transkriptionsfaktoren, Glycinbetain - Mais, Soja, Zuckerrohr
In Bearbeitung: Salztoleranz, Kältetoleranz, Nährstoffeffizienz, Wachstumsförderung 20
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Gentechnik Ziele Spektrum von Golden Rice bis Antimatsch-Tomate • Produktqualität
• Einsparung von Pestiziden
• Einsparung von Wasser
• Einsparung von Energie (Treibstoff)
• Optimierung von Anbausystemen
• Ertragssteigerung
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Gentechnik-freie Methoden
In-vitro Kulturen
• Mikropropagation
• Kalluskulturen
• Protoplastenkulturen
• Antherenkulturen
• Embryokulturen
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In-vitro Kultur Die Gewebekultur oder In-vitro Kultur ist eine Methode, bei der unter Ausnutzung der Totipotenz von Pflanzenzellen, aus einer oder mehreren Zellen (Explantat) eine vollständige Pflanze regeneriert wird.
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Vorgehensweise Oberflächensterile Samen oder Pflanzenteile Wasserstoffperoxid (H2O2), Natriumhypochlorit (NaOCl) u.U. Mix mit Desinfektionsmittel, Antibiotika, Fungizide Steriler Nährboden (Agar-Agar) inkl. Mikro- und Makronährstoffe, Vitamine Hormonelle Steuerung wachstumsfördernd: Auxine, Cytokinine, Gibberelline Für Bewurzelung Hormone aus der Auxingruppe Indolessigsäure (IAA) Indolbuttersäure (IBA) Naphtylessigsäure (NAA) Zellteilung/Streckung durch Cytokinine Kinetin, Benzylaminopurin, Zeatin Differenzierung (Stengel, Blatt, Blüte) durch Gibberelline Gibberellinsäuren (GA1,2,3) Hemmend: Abscisinsäure (ABA), Seneszenz, Blattabwurf… 24
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Vorteile der in-vitro Kultur • Mit wenig Material können sehr viele Pflanzen hergestellt werden • Quasi unbegrenzte identische Vervielfältigung möglich • Im Vergleich zum Gewächshaus, raum- und energiesparend zu Beginn ca. 10 Pflanzen pro Petrischale • Pflanzen vor Krankheiten und abiotischen Stress geschützt geringe Ausfallraten, pathogenfreies Pflanzgut (Viren!) Primärtestung nach sehr kurzer Zeit möglich • Zeiteinsparung gegenüber Ableger- oder Stecklingvermehrung robuste Gewächshauspflanzen für Teilung oder Ableger notwendig! • Saatgutproduktion kann nach 2-3 Jahren beginnen!
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Mikropropagation
Stecklingsvermehrung im Reagenzglas • Steriles Pflanzenmaterial vorhanden u. teilungsfähig
• Optimale Bedingungen (Nährstoffe, Temperatur, Luftfeuchte)
• Zeit-, Raum- und Kosteneinsparungen
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Kalluskultur
Regeneration von Pflanzen aus Einzelzellen
• Enzymatische Auflösung von Geweben (meist junge Blätter)
• Ausplattieren der Einzelzellen
• Wachstum zu undifferenzierten Zellhaufen (Kalli)
• Hormonell induzierte Differenzierung
• Regeneration ganzer Pflanzen
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Protoplastenkulturen
Zellwand wird enzymatisch/mechanisch entfernt
Cellulasen + Ultraschall
3 Typen: Endo- / Exo-Glucanasen, Cellobiase (ß-Glucosidase)
Verzweigte Zellwandpolymere: Hemi- o. Lignocellulasen
Erfolgt unter sterilen Bedingungen
in isotonischer Lösung (osmotischer Druck)
Cytoplasma nur noch von Zellmembran (Plasmalemma) umgeben
Fusion spontan möglich, Detergenzien, Elektroporation
2 Anwendungen:
somatische und asymmetrische Hybridisierung 28
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Somatische Hybridisierung
Vollständige Protoplasten werden fusioniert
3 Stadien: Zellfusion, Kernfusion, Zellteilung (Proliferation)
Herstellung von Hybriden, entfernt verwandte Arten (wide crosses)
z.B. Mais und Hafer (1970)
Asymmetrische Hybridisierung
Intakter Protoplast plus Kern (Mikroinjektion, Liposomen)
entkernter Protoplast plus neuem Kern
Überführung/Fusionierung von cytoplasmatischen Eigenschaften
Plastiden-codierte Herbizidresistenz
Mitochondrien-codierte männliche Sterilität (CMS) 29
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Antherenkultur
Staubgefäße, Pollenkörner, männl. Geschlechtszelle
mit einfachem (halbem, haploidem) Chromosomensatz
Erzeugung reinerbiger (homozygoter) Linien
Diploidisierung mit Colchicin
Hemmt Kernspindel bei Zellteilung
Verdoppelte Chromosomen
werden nicht getrennt u. verteilt
Einsatz als Basismaterial für Neuzüchtungen
Herbstzeitlose (Colchicum autumnale)
Colchicin 30
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Embryokultur (Embryo Rescue)
Wide Crosses, Produktion von Hybridlinien
• Konventionelle Bestäubung oft erfolgreich
• Aber viele Embryonen sterben vorzeitig ab
• Embryonen werden frühzeitig dem Fruchtkörper entnommen
• Werden einzeln unter optimalen Bedingungen regeneriert
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Somaklonale Variation / Mutagenese Zur Erhöhung der genetischen Variation vegetativ vermehrter Klone
ungerichtete (zufällige) Mutagenese
• Strahlen (UV, ionisierend)
• Chemikalien
• Transposons
oft bei Zierpflanzen angewendet
gerichtete (ortsspezifische) Mutagenese
(site-directed mutagenesis, auch site-directed recombination)
Mit Oligonukleotiden, die die gewünschte Veränderung tragen
Vorwissen erforderlich!
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Klonsorten aus der vegetativen Vermehrung
Kartoffel, Erdbeere, Ananas, Banane, Spargel, Rhabarber,
Topinambur, Agave, Süßkartoffel, Yams, Zuckerrohr, Olive und Feige
(Pfropfung), Kakao, Ingwer, Hopfen (weibl. Blüten, diözisch),
Pfefferminze (steril)
werden kaum oder gar nicht züchterisch bearbeitet
oder Züchtung ist durch Sterilität unmöglich!
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Paradebeispiel Banane Obst- und Mehl-Banane (Musa x paradisiaca) Hybrid aus Musa acuminata (AA-Genom) diploide ungenießbar
Musa balbisiana (BB-Genom) enthalten nur Samen
kein Fruchtfleisch
Hybrid paradisiaca ist triploid, Obstbanane Genotyp AAA, Kochbanane: AAB, ABB oder BBB weibl. und männl. Blüten sind steril! Gentische Sackgasse Keine Anpassung mehr möglich Sind Pathogenen hilflos ausgeliefert Einzige Chancen: somaklonale Variation, Mutagenese, Gentechnik
M. acuminata (rote Banane), triploides Kultivar Durch Protoplastenfusion (asymmetrische Hybridisierung) hergestellt Aus diploidem Wildtyp und Antherenkultur 34
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Grüne Gentechnik und in-vitro Kulturen Anwendungsbeispiele
Gentech Biokunststoffe aus Kartoffel (Amflora) Monoklonale Antikörper aus Erbse Spinnseide aus Tabak Transfer von Resistenzgenen biotischer und abiotischer Stress
In-vitro Kultur Hybridsorten Wide Crosses (Wildpflanzen) Reinerbige Linien Basiszuchtmaterial Pathogen-freies Pflanzgut
Molecular Pharming: Gerinnungsfaktoren, Wachstumsfaktoren, Hormone, Impfstoffe Interferone, Interleukine, Tumornekrosefaktoren…
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Warum wird nicht alles in Bakterien produziert? Wozu braucht man Pflanzen (oder Tiere) als Bio-Reaktoren?
Post-Transkriptionale Modifikationen • Capping, Polyadenylierung, Spleißen
Post-Translationale Modifikationen • Glykoproteine
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Glykoproteine Komplexe Glykolisierung kommt nur bei Eukaryoten vor!
Beteiligte Zucker: Glucose, Mannose, Galactose, Fucose, Xylose
Acetyl-glucosamin, -galactosamin, -neuraminsäure
N- oder O-glykosidische Bindungen
Alle Blutproteine, außer Albumine, sind glykolisiert!
Bis zu mehrere 100 Zuckerreste (Oligosaccharide) pro Protein
Minimale Glykolisierungs-Erkennungsstelle: -Asn-X-Ser/Thr
(X = beliebige Aminosäure außer Prolin)
Glycolisierungssignale werden von Bakterien
nicht erkannt!
Glycosyl-Transferasen (im Humangenom >250)
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Beteiligte Prozesse
• Immunantwort
• Reizweiterleitung (Neurotransmission)
• Signaltransduktion
• Erkennungsprozesse
• Zellverbindungen
• Membranrezeptoren
• Pathogenerkennung
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Gentechnisch veränderte Pflanzen Molecular Pharming nur in abgeschlossenen Systemen Gewächshäuser und Klimakammern Sicherheitsstufen 1 und 2 Konventionelle Produkte (non-Pharma) Freisetzung nur Mais, (Tomate, Kartoffel für Forschung) in Europa keine verwandten Wildarten Auskreuzung unmöglich! Gentechnisch veränderter Raps absolut verboten viele verwandte Wildarten Auskreuzung kann nicht ausgeschlossen werden Event nicht rückholbar! Alternative: Transiente Genexpression
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Transiente Genexpression transient = kurzzeitig, vergänglich Gegenteil = stabile Genexpression in GvOs Unterschied: Fremd-DNA wird nicht ins Genom der Wirtszelle integriert Information wird nicht an Tochterzellen vererbt keine Vektoren, „einfache“ Plasmide werden verwendet Meist in Epidermiszellen von Blättern (z.B. Tabak) Expression hält nur einige Tage an (Abbau, Zellteilung) Expressionslevel niedriger als bei stabiler Transformation Pflanzenernte nach 5-7 Tagen, Genprodukt wird isoliert
• Plattform-Technologie für rekombinante Proteine • Eukaryotische post-translationale Modifikationen vorhanden • Ungefährlich, weil Auskreuzung unmöglich • Leicht skalierbar, an Bedarf anpassbar • Schnell durchführbar, kostengünstig 40
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Pflanze Genomgröße Chromosomen
Arabidopsis thaliana 135 Mbp 5
Medicago truncatula 360 Mbp 8
Nicotiana benthamiana 3.000 Mbp 19
Oryza sativa 500 Mbp 12
Lemna gibba 158 Mbp 20
Populus trichocarpa 500 Mbp 18
Modell-Organismen
Vergleich
Organismus Genomgröße Chromosomen Gene
Weizen 15.000 Mbp 7 (21) >100.000
Mensch 3.000 Mbp 23 ca. 25.000
Physcomitrella 458 Mbp 27 ca. 35.000
Gene = Protein-codierende Gene 41
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Weichweizen (Brotweizen) – Triticum aestivum Entstehung vor ca. 9.000 Jahren • tetraploider Emmer (Triticum dicoccum) • diploides Tausches Ziegengras (Aegilops tauschii) Reis, Mais und Weizen haben einen gemeinsamen Vorfahren ca. vor 55 – 75 Mio. Jahren
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-omics Technologien
• Genomik
• Transkriptomik
• Proteomik
• Glykomik
• Metabolomik
Ko
mp
lexi
tät
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Genomics Erfassung ganzer Genome Genome sind unabhängig von Entwicklung o. Umwelt DNA Isolation DNA Sequenzierung Bio-Informatik (in-silico) Umformung in FASTA-Format (fast format A, textbasiert) FASTN (N=Nukleotid, 4 Buchstaben: A, C, G und T) Multiple Alignments (DNA/DNA Suche/Vergleiche) Assemblierung ganzer Genome Analyse anhand bekannter Motive in Datenbanken BLAST-Algorithmen (Basic Local Alignment Search Tool)
nass-chemisch, wet-lab
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Transcriptomics Erfassung ganzer Transkriptome? Transkriptom ist von Entwicklung und Umwelt abhängig! meist vergleichend: WT vs. Challenge Isolation der mRNA Umschreiben in cDNA (Enzym: reverse Transkriptase) DNA Sequenzierung Bio-Informatik Analyse anhand bekannter Gene und Proteine Homologie-Suche
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Proteomics Erfassung ganzer Proteome? Entwicklungsstadium und Umweltbedingungen! Proteine haben Sequenzcharakter (20 Buchstaben) Proteinsequenzierung Edman-Abbau (N-terminal) HPLC-Analyse (High Pressure Liquid Chromatography) heute meist MS (Massenspektrometrie) Zukunft: Nanoporen Sequenzierung Bio-Informatik (FASTP) Analyse (Homologien, katalytische Zentren)
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Glycomics Systematische Untersuchung aller Glykan Strukturen eines Zelltyps oder Organismus (umweltabhängig) • Glykoproteine • freie Mono-, Di-, Oligo- oder Polysaccharide HPLC HPLC-MS Bio-Informatik Datenbanken
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Metabolomics Höchste Komplexität aller -omics Verfahren Isolation aller Inhaltsstoffe (siehe Wirkstoffsuche) Metabolite Profiling • HPLC • HPLC-MS • HPLC-MS/MS (Ionisierung, Ion-Traps) • Identifizierung über Molekülmasse Mega-Datenbanken BIG DATA!
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Arabidopsis knock-out Projekt Alle 25.000 Gene einzeln ausgeknockt Ergebnis: 25.000 Linien Einzeln auf Inhaltsstoffe untersucht Ziel: Identifizierung von Schlüsselgenen, die komplexe Stoffwechselwege regulieren 49
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EPIGENOMICS
• Genomics
• Transkriptomics
• Proteomics
• Glykomics
• Metabolomics
PHENOMICS
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Epigenetischer Effekt: Abschaltung von Genen (Gene Silencing) Lange bekannter Mechanismus (Cytosin-Methylierung) Methylierungsmuster der DNA sind vererbbar! Warum werden Gene überhaupt abgeschaltet? Entwicklungsbiologie! – Beispiel Laktase (LCT-Gen) Wird im Alter von ca. 3 Jahren abgeschaltet C / T Mutation (vor ca. 7.500 Jahren) verhindert Abschaltung
Cytosin 5-Methylcytosin 51
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Phenomics – Phänotypisierung Erkenntnis: Genotyp-Daten sind wertlos wenn sie keinem Phänotyp zugeordnet werden können! Large-scale oder high-throughput phenotyping approaches Next Generation Digital Phenotyping
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Kenndaten für die Phänotypisierung • Blattfläche, Biomasse, Ertrag • Spross-Architektur, Blattform, Blattstellung • Photosyntheseraten, Gaswechsel • Farbkomposition, spektrale Signatur, Antennenpigmente • Stoffflüsse, Stoffkonzentrationen • Wurzelmasse, Wurzellänge, Wurzeloberfläche • Effizienz der Nährstoffaufnahme
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3D-IMAGING TIR – thermales infrarot imaging – Stomata, Wassergehalt NIR – nah-infrarot imaging – Wurzelstruktur, Wassergehalt Fluoreszenz – Photosynthese, Chlorophyllaktivität (blau/rot) Fluoreszenz – Phosphatgehalt (far-blue, UV-VIS) Laser-Scanning – Statur, Architektur (3D-VIS) Link zu Genotyp-Daten! – Bioinformatik
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Indoor Systeme
Standardisierte Bedingungen für Phenomics-Parameter
• Lichtmenge, Einfallwinkel
• Bewässerung
• Düngung
• Messzeitpunkte (mehrmals täglich, 24/7)
• Komplett computergesteuert
• Datensammlung und Analyse
• Komplette Pflanzenentwicklung nachvollziehbar
• Auswahl für Zuchtprogramme
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gene technology molecular farming molecular pharming
urban farming vertical farming
smart farming precision farming
sustainable farming integrated farming organic farming industrial farming
mixed-cropping
inter-cropping catch-cropping crop-rotation permaculture
low-traffic farming low-tillage farming living mulch
aquaponic hydroponic
Schlagwörter - Produktionssysteme
indoor farming
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Zusammenfassung Pflanzenbiotechnologie GenTech In-vitro -omics Phenomics Produkt-Sys Direkter Mikroprop Epigen- TIR urban Indirekter Kallus Gen- NIR vertical Gentransfer Protoplast Transkript- Fluoreszenz indoor Anthere Prote- UV-VIS Site-directed Embryo Glyc- 3D-VIS cropping Mutagenese Metabol- Laser-Scan somaklonal NMR-CT smart transient Sensoren precision Link Genotyp GIS remote- sensing
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Molekulare Grundlagen Komponenten des DNA Doppelstrangs: Pyrimidinbasen: Cytosin und Thymin Purinbasen: Adenin und Guanin Basenpaarung: A-T (2 Wasserstoffbrücken) G-C (3 W.brücken) Zucker: Deoxyribose Phosphatrest Komponenten des RNA Einzelstrangs (Sekundärstruktur d. Faltung): Pyrimidinbasen: Cytosin und Uracil Purinbasen: Adenin und Guanin Basenpaarung durch Faltung des Einzelstrangs: A-U, G-C Zucker: Ribose Phosphatrest
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Base Uracil anstelle von Thymin in der RNA
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Nukleinsäuren sind Polyphosphorsäuren (negativ geladen) Die Polymerisationsrichtung ist immer 5‘ 3‘ Die Grundbausteine sind Triphosphate Während der Polymerisation wird das energiereiche Pyrophosphat (PPi) abgespalten
RNA 60
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Zwei epigenetische Effekte • Chromatinstruktur Gene im Heterochromatin können nicht abgelesen werden Vererbbarkeit (bisher) nicht nachgewiesen • Cytosinmethylierung Methylierte Gensequenzen können nicht abgelesen werden Gene Silencing ist vererbbar!!!
Chromatin-Struktur im Zellkern
Euchromatin Heterochromatin offenes Chromatin kondensiertes Chromatin Gene aktiv Gene inaktiv können nicht abgelesen werden!
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Meiotisches Crossover Austausch von Genmaterial zwischen homologen Chromosomen Chromosomen sind kondensiertes Chromatin (Heterochromatin) Chromosomen verdoppeln Chromatide (Verbindung am Centromer) Homologe Chromosomenpaarung (Austausch von Genmaterial) Meiose 1, Verteilung der homologen Chromosomen auf Tochterzellen Meiose 2, Trennung der Chromatide am Centromer Verteilung auf Tochterzellen Aus einer diploiden Zelle entstehen 4 haploide Tochterzellen
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Struktur eukaryotischer Protein-codierender Gene und deren Transkription
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Intron/Exon-Struktur nur bei Eukaryoten Spleißen (splicing) der Intron-Sequenzen und Zusammenfügen der Exons im Cytoplasma Reihenfolge auf dem codierenden Strang (5‘-3‘): • Proximale regulatorische Elemente (Enhancer, Silencer) • Promotor (TATA-Box, CAAT-Box) zwischen Promotor und Start = 5‘UTR (untranslated region) • Exon 1 (Startcodon ATG im ersten Exon) • Intron 1 • Weitere Exons und Introns im Wechsel • Im letzten Exon Stoppcodon (TAA, TAG oder TGA) • Polyadenylierungssignal Zwischen Stopp und Poly(A) = 3‘UTR • Distale regulatorische Elemente (Enhancer, Silencer)
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Transkription Übersetzen der DNA in mRNA Proteinkomponenten der Transkription:
• RNA-Polymerase
• Prä-Initiationskomplex
• Trankriptionsfaktoren
• Promotor-bindendes Protein
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Der „Offene Leserahmen“ Open Reading Frame (ORF)
Die Nukleotidanzahl muss durch 3 teilbar sein 66
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Proteinbiosynthese am Ribosom (Translation)
Ribosomen sind Multiprotein-MultiRNA- -Komplexe aus zwei Untereinheiten Large Subunit (LSU) ca. 60 Proteine 3 rRNAs (5, 5.8, 28S) Prokaryoten: 5, 5.8, 23S
Small Subunit (SSU) ca. 30 Proteine 1 rRNA (18S) Prokaryoten: 16S
tRNA
SSU
LSU
Triplett
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Die Degeneriertheit des genetischen Codes
Start
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Output: Merkmal
Punktmutation
ATT AGC TTT TGT GTA
ATT AGC TTA TGT GTA
Gen-Code
Input: Gen Stoffwechsel
Ile Ser Phe Cys Val Protein-Code
Ile Ser Leu Cys Val Protein-Code
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Sogenannte „Stille Mutationen“ Beispiel Arginin 6 mögliche Codons (Tripletts) codieren für Arginin: CGT CGC CGA CGG AGA AGG
Codon Usage Verfügbarkeit unterschiedlicher tRNAs ist begrenzt Viele Organismen bevorzugen bestimmte tRNAs für eine Aminosäure Wird durch Mutation eine „seltene“ tRNA notwendig, ist diese oft nicht zur Stelle und die Translation bricht ab
Es wären also mehrere Mutationen erlaubt Trotzdem codiert Triplett weiterhin für Arginin
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Chromosomenmutationen Polyploidie Aneuploidie Translokation (reziprok/nicht-reziprok) Deletion Amplifikation (extra Minichromosomen oder verlängerte Chromatide)
DNA Mutationen
Punktmutation -Basenaustausch (Transition, Transversion) Insertion -Baseneinfügung Deletion -Basenverlust Inversion -Umkehrung Basenreihenfolge Duplikation -Segmentverdopplung In Körperzellen z.B. Krebszellen, in Keimbahn Mutanten
InDels, mögl. Frameshift-Mutationen!
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Mutagene
Strahlen UV, ionisierend (radioaktiv)
DNA/RNA Polymerasen Genauigkeit zwischen 87 und 99% DNA Reparatur Mismatches, Strang-Erkennung Repeats (slipped-strand mispairing) Basenschädigungen Desaminierung, Depurinierung, Oxidation (ROX) Basenblockierung Chemikalien (z.B. Benzopyren) Glycosylasen Ribose, Desoxyribose Entfernung Rekombination ungleiches crossing-over Viren, Transposons (Retrotransposons) UV
Thymin-Dimere
Enzym: Photolyase
Benzopyren
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Loci und Allele Locus = Genort (Kopplungsanalyse) Allel = Genausprägung (Assoziationsanalyse) Bei Diploiden: homozygot: beide Allele sind identisch heterozygot: Allele sind verschieden (Sequenz)
Linkage is with loci and association with allels GWAS – genome-wide association studies Rekombinationshäufigkeiten, Kopplungsgruppen, Genomkartierung
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Non-coding DNA Im Humangenom ist über 95% der DNA nicht codierend Gesamt 3.000 Mbp, codierend max. 150 Mbp Junk-DNA (Funktion bisher unbekannt, Deletionsstudien) Selfish DNA (repetitive DNA neigt zur Ausbreitung) genetischer Fingerabdruck hohe Mutationsraten
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HuGO und GABi
HuGO = Human Genome Organization (1990-2000) GABi = Genome Analysis Bio-System Plant (1999-heute) Physcomitrella (35.000 Gene) Vermutung: Der Mensch hat 250.000 bis 1 Mio Gene Realität heute: Mensch hat weniger als 25.000 Gene (ORFs)
Das 1 Gen / 1 Protein Dogma ist gefallen! Alternatives Spleißen – fast alle Humangene haben mehrere Spleißvarianten!
– aus einem Gen können verschiedene Proteine entstehen! 75
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RNA
• Hat katalytische Eigenschaften (Enzymfunktion, Ribozyme)
• Übermittelt genetische Information
• Reguliert grundlegende zelluläre Prozesse
• Dient auch als Genom (RNA-Viren, Retroviren)
• Kann sich selbst replizieren (Faltung u. Kettenverlängerung)
• Hat Ligase und Nuklease Aktivität (selbstspleißende Introns)
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Codierende RNA (cRNA) mRNA messenger RNA (Transkription und Translation) Nicht-codierende RNAs (ncRNA) rRNA (ribosomale RNA) tRNA (transfer RNA) Long non-coding und short non-coding RNAs lncRNA antisense Genregulation (>200 Basen) sncRNA spleißen der prä-mRNA, Spleißosom (30-40 Basen), guideRNAs, Exon skipping, Exon shuffling small interfering RNAs (siRNA), sog. RNA-Interferenz (20-25 Basen) Genregulation, Chromatinorganisation, Translokation am Ribosom RNAi ist neben altern. Spleißen wichtiger Regulationsmechanismus
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Bakterien (Prokaryoten) • kein Zellkern • keine Organellen • immer haploid • Gene ohne Introns • Keine non-coding DNA • Kein PolyA am Ende der mRNA • Nur ein ringförmiges Hauptchromosom • Extrachromosomen (Plasmide) in unterschiedlicher Anzahl und Kopie
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Pilus (pl. Pili) oder Fimbrien • Zelladhäsion • Anhaften an festen Oberflächen • Anhaften an z.B. tierische Zellen • Bewegung Austausch v. Genmaterial über Plasmabrücke (horizontaler Gentransfer) Resistenzfaktoren Fertilitätsfaktoren Bakterien können für Teile des F-Plasmids diploid sein Bezeichnung Sex-Pili ist aber falsch! Bakterien haben kein Geschlecht
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Restriktionsendonukleasen Restriktionsenzyme – bakterielles Immunsystem Hauptfeinde der Bakterien sind Bakterienviren (Bakteriophagen) Injizieren ihre DNA ins Bakterium Programmieren Bakterium um (Produktion von Phagen) Verteidigungsmechanismus: Sequenzspezifische Endonukleasen die das Phagengenom zerschneiden/zerstören Voraussetzung: Sequenz kommt im eigenen Genom nicht vor! oder das Restriktionsenzym ist methylsensitiv in diesem Fall müsste die Sequenz der Bakterien methyliert sein Sonst würde Bakterium sein eigenes Genom zerschneiden 80
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Palindrome – Blunt- und Sticky-Ends
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Klonierungsvektoren (Propagation in Bakterien)
bla = ß-Lactamase (Selektionsmarker) rep/rop = ORI = Origin of Replication MCS = Polylinker = Multiple Cloning Site (bis zu 20 Restriktionsstellen LacZ = Insertionsmarker, Reportergen (Blue/White Screening) Expressionsvektoren zur Proteinherstellung 82
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LacZ: Substrat (IPTG/xGal) muss Nährmedium zugegeben werden Heute meist GFP (Green Fluorescent Protein) Farbsignal direkt vom Protein, kein Extrasubstrat notwendig
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Sequenziervektoren Einklonieren des sog. Inserts zur DNA-Sequenzierung High Copy Number Plasmide (relaxed vs. stringend control) Das Plasmid enthält zusätzlich Bindestellen für die Sequenzierprimer Gewinnung der Templat-DNA durch • Restriktionsenzyme • PCR Polymerase Kettenreaktion Polymerase Chain Reaction (PCR)
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PCR - Reaktionsprinzip Schritt 1 Denaturierung bei 96°C - Wasserstoffbrücken werden gelöst es entstehen 2 Einzelstränge Schritt 2 Primerbindung bei ca. 60°C Primer binden an komplementäre Sequenz auf DNA auch Annealing genannt, Primer sind gewöhnlich 18-25 Nukleotide lang Schritt 3 Primerverlängerung (72°C) DNA-Polymerase heftet dNTPs an Primer an Anheften komplementär zum DNA-Strang dNTPs = dATP, dGTP, dTTP, dCTP (Triphosphate) Reaktionsansatz: „Taq“ DNA-Polymerase aus Thermus aquaticus (thermophiles Bakterium aus heißer Quelle) Taq Temperaturoptimum 72°C, Polymerase übersteht auch die 96°C 4 dNTPs (A,T,G,C) 2 Primer (vorwärts und rückwärts) Mg++ Ionen (Kofaktor für Polymerase) Templat-DNA Verdopplung des amplifizierten PCR-Fragments in jedem Zyklus (ca. 35 Zyklen werden durchgeführt) 85
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PCR nach Mullis (1987)
Exponentielle Amplifikation 86
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Quantitative PCR (real-time PCR)
Mit Fluoreszenz-Farbstoffen oder spezifischen Oligos (TaqMan)
Quantitative reverse Transkriptase PCR (Messung der Genaktivität)
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DNA Sequenzierung nach Sanger (1977) Kettenabbruchnukleotide (ddNTPs)
Nur reine Moleküle Nur Einzelreaktionen
Leseweite max. 1kb
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Elektropherogramm einer DNA-Sequenzierung (nach Sanger)
Consensus
4 Gerstenlinien Hordeum vulgare, Barke, Ingrid, Morex, Regina 89
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Bei reinen Molekülen: Direktsequenzierung (ohne Klonierung) mit den PCR Primern möglich Im Sequenzieransatz darf sich nur ein Primer befinden! nicht exponemtiell! Bei Molekülpopulationen: Moleküle müssen durch Klonierung vereinzelt werden! Nur ein Insert pro Plasmid Nur ein Plasmid pro Bakterienzelle Blue/white screening alle weißen Kolonien werden sequenziert (Kolonie-PCR) Parallelisierung in Mikrotiterplatten (96 o. max 384 Kolonien parallel)
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NGS – Next Generation Sequencing Fluorochrom-markierte ddNTPs der Sanger-Sequenzierung sind sehr teuer
Neue Basis Pyrosequenzierung (keine Fluoreszenfarbstoffe nötig)
Beim Abspalten des Pyrophosphats während der Polymerisation entsteht ein Lichtblitz!!! • Zu sequenzierende DNA wir kovalent an Nanobeads gebunden • Sequenzierplatte enthält Nanokavitäten in die genau ein Bead (=Perle) passt 20 Mio Kavitäten pro Platte = 20 Mio Sequenzierungen parallel!!! • Platte wird immer wieder nacheinander mit den einzelnen A-T-G-C-dNTPs geflutet zeitliche Synchronisation und zählen von Lichtblitzen ergibt die Sequenz
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Anbieter
• Roche 454 (out-dated)
• Illumina/Solexa (paired-end MiSeq und HiSeq)
• Helicos BioSci
• Life SOLID
• PacBio (Leseweiten bis 60kb pro bead)
• Ion Torrent
Illumina und PacBio, Humangenom in 10 Tagen sequenzierbar!
Wichtigster Faktor: Preis pro Base
Sanger ca. 0,5€/Nukleotid, Illumina 0,000002 €/N
!! Parallelisierung, Automatisierung, Miniaturisierung !! 92
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Das Ti-Plasmid (Tumor-inducing Plasmid) Agrobacterium tumefaciens, DIE Genfähre löst Pflanzenkrebs aus Kronengallen, crown galls
ca. 194 kb
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LTR LTR
t-DNA-Region kann beliebig durch andere DNA ersetzt werden (Restriktionenzyme und Ligasen) nur linke und rechte Grenze (LTRs long terminal repeats, müssen erhalten bleiben)
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Genkassetten werden in Empfängerorganismus übertragen Reportergen, Transgen (t-DNA) Selektionsmarker auf Plasmid, aber nicht in Kassette
Pomoter: CaMV 35S cauliflower mosaic virus
(Transgen)
Reportergen GUS,GFP
Selektionsgen Antibiotikaresistenz
Virulenzregion muss erhalten bleiben damit Bakterium Pflanze infizieren und das Plasmid übertragen kann. T-Region wird ins Pflanzenchromosom integriert
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Nachteile Position kann nicht vorher bestimmt werden die t-DNA integriert irgendwo im Genom (teilw. mehrfach) Das gesamte Plasmid muss funktionieren Selektionsmarkergen, Reportergen, Transgen Hohe Ausfallraten: Positionseffekte, Kassettendefekte, Plasmiddefekte Pflanzenspezies mit ineffektiven Transformationsraten
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GvO-Diagnostik (GMO-Testing) PCR-basierte Suche nach: • 35S-Promotor • Antibiotika Resistenzgene (NPT II) • Reportergen (GUS, GFP) • Nopalinsynthetase • NOS-Promotor • NOS Terminator GvOs sind einfach zu identifizieren! DNA-Isolation, PCR-Reaktion, Gelelektrophorese
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Das Ri-Plasmid (Root-inducing Plasmid) Agrobacterium rhizogenes (WT) Die Wurzelhaarkrankheit der Zuckerrübe (Bärtigkeit)
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Nutzung von A. rhizogenes zur Herstellung transformierter Wurzelkulturen Keine Gentechnik, Da A. rhizogenes ein Wildtyp ist (t-DNA wurde NICHT ausgetauscht)
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Wurzelkultur mit Mykorrhiza-Pilzen (Glomus intraradices)
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Genome Editing – A new Aera CRISPR/Cas – RNA-gesteuerte Nukleasen Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats CRISPR associated Genes (Cas-Nukleasen) Teil des bakteriellen Immunsystems Bakterien integrieren Teile von Phagengenomen in ihr eigenes Zur Wiedererkennung von Phagen – Immunität Die Spacer sind für die Funktion der Immunität notwendig
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Die Nukleotid-bindenden Sequenzen der Nukleasen können programmiert werden Herstellung des Proteins in Bakterien Die synthetische guideRNA wird zugegeben und verbindet sich mit dem Protein Der Protein-RNA Komplex wird in Zellen eingeschleust und findet seine Zielregion Die Ziel-DNA wird ausgeschnitten Der spezifische Teil der guideRNA nimmt deren Platz ein Bei Replikation durch zelleigene Reparaturenzyme verarbeitet GuideRNA dient als Matrize für den neuen DNA Strang Genom ist editiert!
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Vorteile • Keine Fremd-DNA • keine Positionseffekte • keine Mehrfachinsertion • Gen bleibt in seinem natürlichen Kontext • Gen bleibt unter seinem eigenen Promotor • Keine Antibiotika-Resistenz nötig (Selektionsmarker) • Kein Reportergen notwendig Regeneration ganzer Pflanzen mit normalen in-vitro Kultur Techniken Überprüfung des Editierungserfolgs durch DNA Sequenzierung Der Eingriff ist absolut nicht nachweisbar!
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Es ist nicht abschließend geklärt, ob CRISPR Pflanzen zukünftig als GvOs bewertet werden Per Definition ist CRISPR keine Gentechnik da keine Fremd-DNA (Transfer-DNA) enthalten ist EU Kommission hat Entscheidung für 2018 angekündigt in USA nicht als Gentechnik bewertet, sondern zugelassen
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CRISPR Pflanzen Mais Sorte waxy Technischer Rohstoff Stärke-variante für Hochglanzpapier DuPont/Pioneer BIG SIX: • DuPont • DOW • Bayer • BASF • Monsanto • Syngenta
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Internationale Fachzeitschriften Journal of Plant Biotechnology (open access) Plant Biotechnology Reports Plant – In Vitro Cellular & Developmental Biology
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Organisationen Gesellschaft für Pflanzenbiotechnologie e.V. www.pflanzen-biotechnologie.de InnoPlanta e.V. (Gatersleben, Nordharz/Börde) www.innoplanta.de Arbeitsgemeinschaft innovativer Landwirte (AGIL) Deutsche Gartenbauwissenschaft Gesellschaft www.dgg-online.de International Association for Plant Biotechnology www.iapbhome.com
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