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.
Topics
Species
