Germany
January 3, 2023
A ground-breaking twist to the CRISPR tool – aka “genetic scissors” – is being put to use to edit plant genomes by scientists from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, signalling a methodology change. The discovery that was recently published in the prestigious journal Nature Biotechnology could simplify and speed up the development of novel, genetically stable commercial crop varieties by combining grafting with a ‘mobile’ CRISPR tool.
An unmodified shoot is grafted onto roots that contain a mobile CRISPR/Cas9, which allows the genetic scissor to move from the root into the shoot. There it edits the plant DNA but leaves no trace of itself in the next generation of plants. This breakthrough will save time, money and circumvent current limitations in plant breeding and contribute to sustainable food solutions across multiple crops.
Many crops that feed the world are already threatened by heat, drought and plant pests, and these factors are being further exacerbated by a changing climate. To future-proof these essential plants for efficient and effective crop yields under challenging conditions, plant genomes can be edited with high precision using the CRISPR/Cas9 system to introduce beneficial gene functions or to remove unfavourable ones. While CRISPR/Cas9 is an enormous step forward for plant breeding, it remains nonetheless an expensive and laborious solution, making it unfeasible for application in most plants. The recent development made by the team of scientists at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Germany overcomes these limitations.
RNA as CRISPR carrier
Commercial crop plants need to be genetically stable, they cannot contain any genetic sequences from the CRISPR/Cas9 system, and should be transgene free. Normally, this is achieved either through outcrossing over many generations, or via tedious regeneration processes. Both are time and money intensive and are difficult, or even impossible in many crop plants. A team of scientists led by Dr. Friedrich Kragler set out to change this. As part of the EU-funded PLAMORF project and German Ministry of Research funded proof of concept project, they are studying transport sequences that enable the movement of RNAs from roots to shoots. The research group identified the so-called tRNA-like sequences (TLS) that act as signals for the long-distance movement of RNAs within plants. The recent breakthrough came by combining this discovery with the CRISPR/Cas9 genome editing system. When adding such a TLS to the CRISPR/Cas9 sequences, plants produce “mobile” versions of CRISPR/Cas9 RNA. A transgene-free, unmodified shoot is then grafted onto the roots of plants containing the mobile CRISPR/Cas9 RNA, which then moves from the root into the shoot, and eventually on into the flowers that produce the seeds.
“The magic happens in the flowers,” explains Dr. Friedrich Kragler. “The CRISPR/Cas9 RNA moves in and is converted into the corresponding protein, which is the actual ‘genetic scissors’. It edits the plant DNA in the flowers. But the CRISPR/Cas9 system itself is not integrated in the DNA. So, the seeds that then develop from these flowers carry only the desired editing. There is no trace of the CRISPR/Cas9 system in the next generation of plants and it works with a surprisingly high efficiency.”
The blueprint of the CRISPR/Cas9 gene scissors is transported as RNA from the rootstock of a gene-modified plant to the grafted shoot of an unmodified plant.There, the gene scissor protein is built with the help of the RNA. The gene scissor protein edits specific genes in flowers. Plants in the next generation carry the desired gene modification. - © RTDS Association
An editing system for many crop plants
What makes the new system even more exciting is the possibility to combine different species. The scientists showed that ‘editing’ in this way doesn’t only work when root and shoot in grafting are from the same plant species – in this case the model plant Arabidopsis or thale cress. They also grafted shoots of its commercial relative, oilseed rape, onto Arabidopsis roots that produce the mobile CRISPR/Cas9. Encouragingly, the team of Dr. Kragler also found edited oilseed rape plants.
“Our novel gene editing system can be used efficiently for many breeding programmes and crop plants. This includes many agricultural important plant species that are difficult or impossible to modify with existing methods,” he concluded.
Mit einer Kombination aus alter Methode und moderner Technologie zu neuen Pflanzensorten
Wie eine 2000 Jahre alte Methode eine Renaissance erfährt um mit Hilfe hochmoderner Molekularbiologie Pflanzen zu züchten
Forschenden des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie ist es gelungen mittels einer von ihnen entwickelten cleveren Kombination aus klassischer Pflanzenveredelung mit hochmoderner Molekularbiologie stabile geneditierte Pflanzen herzustellen, die nicht von klassisch gezüchteten oder natürlich entstandenen Mutationen zu unterscheiden sind. Diese neu entwickelte Methode ist außerdem geeignet schneller Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften zu züchten und kann bei einer Vielzahl von Pflanzen genutzt werden, bei denen bisher die Geneditierung nicht eingesetzt werden konnte. Veröffentlicht haben die Forscher*innen ihre Ergebnisse aktuell im renommierten Fachjournal Nature Biotechnology.
Die Entwicklung neuer Pflanzensorten als Lebensmittel, zur Energiegewinnung und als Rohstofflieferant für die Industrie ist angesichts sich verändernder klimatischer Bedingungen und der damit verbundenen Notwendigkeit zur beschleunigten Abkehr von fossilen Ressourcen ein wichtiges Forschungs- und Entwicklungsfeld. In der klassischen Pflanzenzucht müssen Pflanzen über viele Generationen selektiert, gekreuzt, vermehrt und untersucht werden bis eine neue Sorte mit den gewünschten Eigenschaften entsteht.
Moderne gentechnische Methoden können diesen Prozess enorm beschleunigen. Die Entdeckung der sogenannten Genschere CRISPR/Cas erlaubt es mittlerweile schnell und gezielt Gene in Pflanzen zu verändern, um so Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Obwohl die Züchtung mit CRISPR/Cas bereits weniger Zeit beansprucht als klassische Züchtungsmethoden, dauert es aber doch noch einige Zeit bis die Pflanzen Marktreife erlangen, da die zuvor eingeführte CRISPR/Cas (Fremd) DNA aufwändig wieder aus der Pflanze entfernt werden muss, weil diese ansonsten langfristig die genetische Stabilität der Pflanzen stören könnten.
Dr. Lei Yang und Dr. Frank Machin haben gemeinsam mit weiteren Kolleg*innen der Arbeitsgruppe von Dr. Friedrich Kragler am Max-Plank-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam, im Rahmen eines BMF und ERC geförderten Projektes, eine neuartige Methode entwickelt, die es ermöglicht auf langwieriges Rückkreuzen zu verzichten. Bereits in der ersten Generation können mit Hilfe dieser Methode genveränderte Samen produziert werden, die keinerlei fremde DNA mehr enthalten und von traditionell gezüchteten oder natürlich entstandenen Pflanzen nicht zu unterscheiden sind.
Grundlagen der neuen Methode
Im Zellkern jeder einzelnen Zelle sind alle Informationen die eine Pflanze zum Leben und Wachsen braucht in Form der DNA gespeichert. In der DNA verschlüsselt sind die Baupläne für Proteine, die praktischen Akteure, die alle Arbeiten in der Zelle verrichten und im Wesentlichen die Eigenschaften eines Organismus bestimmen. Da die Erbinformation sehr wertvoll ist, darf sie unter keinen Umständen beschädigt werden und verbleibt daher immer im Zellkern. Die Umsetzung der DNA in Proteine findet aber im Zellplasma statt. Hierzu werden Teile der DNA in eine kurzlebige Transportform, die sogenannte Boten-RNA oder englisch Messenger-RNA (mRNA) übersetzt. Diesen Vorgang nennt man Transkription.
Dr. Kragler erläutert: „Die sogenannte Genschere CRISPR/Cas wird selbst als DNA Sequenz in die pflanzliche DNA im Zellkern eingeführt und besteht aus zwei Komponenten. Zum einen aus dem sogenannten Guide, der eine Basenabfolge besitzt, die der Basensequenz an genau der Stelle der pflanzlichen DNA entspricht, die später von der Genschere verändert werden soll. Zum anderen aus der Sequenz für die Genschere selbst, dem Protein CAS9, welches in der Lage ist pflanzliche DNA zu schneiden. Mit Hilfe der CRISPR/Cas-Technologie können so an einer genau definierten Stelle Veränderungen in der DNA der Pflanze ausgelöst werden. Nachdem die gewünschte Veränderung erreicht ist, muss in bisherigen Verfahren aber die DNA Sequenz der Genschere selbst noch durch aufwändige Rückkreuzungen aus den Zellkernen der Pflanze entfernt werden.“
Nutzung neuer Technik mit Hilfe alter Methode
Der Clou der Geschichte ist, dass eine mehr als 2000 Jahre alte Technik, das Pfropfen - das normalerweise zur Veredelung von Obstbäumen und Reben eingesetzt wird - genutzt werden kann, um sofort Pflanzen und Samen zu produzieren, die zwar die neuen Eigenschaften besitzen, aber keine Fremd-DNA enthalten.
Um dies zu erreichen, schnitten die Forscher*innen den Stängel einer Pflanze, deren Zellkerne DNA der Genschere enthalten, über dem Wurzelstock ab und pfropften den Spross einer genetisch unveränderten Empfängerpflanze darauf. Wie die Arbeitsgruppe um Friedrich Kragler bereits in früheren Arbeiten herausgefunden hat, können Wurzelstock mRNAs mit bestimmten Eigenschaften bis zum Blütengewebe transportiert werden. Die Forscher haben daher die DNA Sequenz der Genschere so angepasst, dass die mRNA Kopien aus dem Wurzelstock in die genetisch nicht veränderten, oberirdischen Teile verschickt werden. Dort wird dann auch in den Blüten der Pflanze aus der mRNA das Genscheren-Protein hergestellt, was die entsprechenden Veränderungen in den Pflanzenzellen hervorruft. Ein Teil der Samen, die aus diesen Blüten hervorgehen trägt dann bereits in der nächsten Generation die gewünschte Genveränderung. Sie sind aber frei von jeglicher Fremd-DNA und von natürlich entstandenen Varianten nicht zu unterscheiden.
Viele Kulturpflanzen können schwer oder nicht gekreuzt werden, oder haben wie z.B. Obstbäume sehr lange Generationszeiten. Wenn man hier die Fremd-DNA durch Kreuzung wieder herausbekommen wollte, würde dies viele Jahre dauern. Hier könnte der gentechnische Veredelungsansatz den Züchtern neue Möglichkeiten eröffnen, die diesem Bereich bisher verwehrt waren. Dr. Kragler sieht aber noch ganz andere Einsatzmöglichkeiten dieser neuen Technik, da viele Kulturpflanzen für die CRISPR/Cas9 Genschere nicht oder schwer zugänglich sind: „Bisher sind gezielte gentechnische Methoden nur für wenige, sehr gut erforschte Pflanzen wie Tabak oder Acker-Schmalwand etabliert. Da aber das Veredeln durch Pfropfung häufig auch zwischen vielen gar nicht so nahen verwandten Arten funktioniert und man die Wurzelstöcke leicht vermehren kann, ist es denkbar, dass ein Wurzelstock gleich mehrfach benutzt werden kann, um gezielt Pflanzen verschiedener Arten oder Zuchtsorten mit erwünschten neuen Eigenschaften zu versehen.“ Mit dieser Kombination aus alter Methode und moderner Molekularbiologie könnten also zukünftig schnell und kostengünstig neue Sorten gezüchtet werden.
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