Berlin, Germany
April 20, 2010
Source: GMO Safety
It is often maintained that genetic interventions may have unintended consequences for the metabolism of modified plants and by implication for human health and the environment as well. A recently completed research project compared gene expression and plant substances in different conventional and transgenic barley lines. GMO Safety discussed the findings with Uwe Sonnewald, one of the project leaders.
GMO Safety: What were the aims of your research project?
Uwe Sonnewald: In our joint project with the University of Giessen and the State University Washington we aimed to test the extent to which different varieties of barley differ from one another, the extent to which transgenic and non-transgenic barley plants differ from one another and the impact of environmental factors. To this end we studied gene expression in the plants and the composition of the metabolites, i.e. the metabolic products. We originally intended to study the leaves and the grains but as it turned out we were unable to complete the grain studies due to repeated crop vandalism in Giessen.
GMO Safety: What are your most important findings?
Uwe Sonnewald: Firstly, we found virtually no differences between the genetically modified barley plants under investigation and their non-transgenic parent lines, either in terms of metabolites or gene expression. We then found that colonisation of the barley plants by mycorrhizal fungi produced virtually no changes in gene expression, but did change the metabolites. This demonstrates the value of combining both approaches. We also discovered that differences between conventional varieties can be considerable. Approximately 1,600 genes in the two conventional varieties that we compared are differentially regulated. We don't even know the function of many of these genes.
GMO Safety: The following statement was deduced from your findings: Conventional breeding causes more changes in plants than the introduction of a single transgene. Can you make such a generalisation? After all, you only looked at barley. Have comparable studies been carried out on other genetically modified crops?
Uwe Sonnewald: As far as I know, this was the first time that both methods had been used in a simultaneous investigation. Researchers have studied either gene expression or plant substances in wheat, potatoes and maize and have come to very similar conclusions. The impact of transgenes is basically limited to their immediate function. For example, if I insert a gene for fructan biosynthesis in potatoes, it is hardly surprising that these potatoes then produce fructan and so differ in this way from their parent lines. But only negligible additional differences were found. I know of no instance where a more significant change in gene expression has been caused by a single transgene. However, great variability exists between individual varieties of all the crops mentioned and the obvious explanation for this is that often the breeding objective is to create resistance to external stress factors, and this involves a large number of genes.
GMO Safety: Do you consider that it would be useful to use the profiling methods that you have just applied to assess the safety of genetically modified crops in the future?
Uwe Sonnewald: First you would have to perform a kind of cataloguing, in other words you would have to determine the gene expression and plant substances of different existing varieties of each crop type. Only on this basis can you then decide whether a change in a new plant gives any cause for concern. This type of cataloguing is currently available only for metabolites, and then only for the main substances, which is too crude.
Metabolic profiling could be useful in principle if a genetic modification had been carried out with the aim of modifying specific metabolic processes. Since different metabolic pathways are interconnected, it is certainly useful to establish whether anything other than the intended modification has changed in other metabolic pathways - for example, whether a plant produces too few vitamins because it produces increased amounts of a specific substance.
Studying gene expression is even more problematic. Important differences emerge even from a comparison of conventional varieties and in most cases I am unable to say what these changes signify because I don't even know the function of the genes. Therefore it would not be useful to make this type of investigation a prerequisite for approving a plant.
GMO Safety: Thank you for talking to us.
Züchtung verändert Pflanzen stärker als Gentechnik - "Der Einfluss der Transgene ist im Wesentlichen auf ihre unmittelbare Funktion begrenzt"
Gentechnische Eingriffe könnten unbeabsichtigte Folgen für den Stoffwechsel der veränderten Pflanzen haben und damit auch für die menschliche Gesundheit und für die Umwelt- so lautet ein häufiger Vorbehalt. In einem gerade abgeschlossenen Forschungsprojekt wurden Gen-Expression und Inhaltsstoffe von verschiedenen konventionellen und transgenen Gerstenlinien miteinander verglichen. bioSicherheit sprach mit Prof. Uwe Sonnewald, einem der Projektleiter, über die Ergebnisse.
bioSicherheit: Was waren die Ziele Ihres Forschungsprojektes?
Uwe Sonnewald: In unserem Verbundprojekt mit der Universität Gießen und der State University Washington wollten wir austesten, inwieweit sich unterschiedliche Sorten der Gerste unterscheiden, inwieweit sich transgene von nicht-transgenen Gerstenpflanzen unterscheiden und wie groß der Einfluss von Umweltfaktoren ist. Dazu haben wir die Genexpression in den Pflanzen und die Zusammensetzung der Metabolite, also der Stoffwechselprodukte, untersucht. Wir hatten eigentlich vor, die Untersuchungen im Blatt und im Korn zu machen, allerdings konnten wir die Kornuntersuchungen aufgrund wiederholter Feldzerstörungen in Gießen nicht durchführen.
bioSicherheit: Was sind Ihre wichtigsten Ergebnisse?
Uwe Sonnewald: Zum einen konnten wir zwischen den untersuchten gentechnisch veränderten Gerstenpflanzen und den nicht-transgenen Ausgangslinien kaum Unterschiede nachweisen, weder in bezug auf die Metabolite noch in bezug auf die Genexpression. Dann haben wir festgestellt, dass eine Besiedlung der Gerstenpflanzen mit Mykorrhiza-Pilzen kaum Änderungen bei der Genexpression hervorruft, aber Änderungen bei den Metaboliten. Das zeigt, dass es sinnvoll ist, beide Herangehensweisen zu kombinieren. Darüber hinaus haben wir gefunden, dass die Unterschiede zwischen konventionellen Sorten sehr groß sein können. Bei den beiden konventionellen Sorten, die wir verglichen haben, sind ca. 1600 Gene unterschiedlich reguliert. Bei vielen dieser Gene weiß man noch gar nicht, welche Funktion sie haben.
bioSicherheit: Aus Ihren Ergebnissen wurde die Aussage abgeleitet: Konventionelle Züchtung verändert Pflanzen stärker als die Einführung eines einzelnen Transgens. Kann man das so allgemein sagen? Sie haben ja ausschließlich Gerste untersucht. Gibt es vergleichbare Untersuchungen an anderen gentechnisch veränderten Kulturpflanzen?
Uwe Sonnewald: Was meines Wissens noch nicht gemacht wurde, ist die simultane Untersuchung mit beiden Methoden. Man hat entweder Genexpression oder Inhaltsstoffe untersucht, und zwar in Weizen, in Kartoffel und auch in Mais, und kommt eigentlich zu sehr ähnlichen Schlüssen. Der Einfluss der Transgene ist im Wesentlichen auf ihre unmittelbare Funktion begrenzt. Wenn ich zum Beispiel ein Gen für Fruktan-Biosynthese in Kartoffeln einbringe, dann ist es natürlich nicht verwunderlich, dass diese Kartoffeln Fruktane produzieren und sich in diesem Punkt von ihren Ausgangslinien unterscheiden. Aber darüber hinaus sind nur vernachlässigbare Unterschiede festgestellt worden. In keinem mir bekannten Fall ist eine größere Änderung in der Genexpression durch ein einzelnes Transgen hervorgerufen worden. Dagegen besteht in all den genannten Kulturpflanzen eine sehr große Variabilität zwischen den Sorten und der naheliegende Grund ist: das Züchtungsziel ist häufig Resistenz gegenüber äußeren Stressfaktoren, und daran sind viele Gene beteiligt.
bioSicherheit: Halten Sie es für sinnvoll, solche Profiling-Methoden, wie Sie sie jetzt angewendet haben, zukünftig zur Sicherheitsbewertung von gentechnisch veränderten Pflanzen heranzuziehen?
Uwe Sonnewald: Dazu müsste man zunächst einmal eine Art Katalogisierung vornehmen, sprich: Genexpression und Inhaltsstoffe der verschiedenen existierenden Sorten jeder Kulturart erfassen. Erst auf dieser Grundlage kann man entscheiden, ob eine Veränderung in einer neuen Pflanze überhaupt Anlass zur Besorgnis ist. Solche Katalogisierungen gibt es im Moment nur für Metabolite, und da auch nur für die Hauptinhaltsstoffe, und das ist zu grob.
Grundsätzlich könnte es sinnvoll sein, ein metabolisches Profiling durchzuführen, wenn man eine gentechnische Veränderung vorgenommen hat, die darauf abzielt, bestimmte Stoffwechselprozesse zu verändern. Verschiedene Stoffwechselwege hängen ja miteinander zusammen, und da ist es schon sinnvoll zu klären, ob sich neben der beabsichtigten Veränderung nicht noch in anderen Stoffwechselwegen etwas verändert hat – zum Beispiel, dass eine Pflanze zu wenig Vitamine produziert, weil sie einen bestimmten Inhaltsstoff vermehrt produziert.
Bei der Untersuchung der Genexpression ist es schon problematischer. Schon der Vergleich der konventionellen Sorten zeigt ja große Unterschiede, und in dem größten Teil der Fälle kann ich überhaupt nicht sagen, was diese Änderungen bedeuten, weil ich die Funktion der Gene gar nicht kenne. Dann ist es nicht sinnvoll, eine solche Untersuchung zur Voraussetzung für die Zulassung einer Pflanze zu machen.
bioSicherheit: Vielen Dank für das Gespräch.
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