Pflanzengenetik

• exponentielles Bevölkerungswachstum: mehr Nahrungsmittel

• Klimawandel

  • Trockenstress

  • neue Resistenzen (Pathogene, Insekten, Funizide, Pestizide, Insektizide)

  • 3%-5% Ernteertragsverlust pro Grad Temperaturanstieg

• Verlust landwirtschaftlicher Fläche

  • Erosion

  • Versalzung

  • Bebauung

  • Nutzng für Biokraftstoffe

• verstärkte Umstellung auf vegetarische Ernährung

• Begrenzte Verfügbarkeit von Wasser oder Phosphor

  • Konkurrenz mit privater/industrieller Landwirtschaft

Sicherung der menschlichen Ernährung trotz der bestehenden Herausforderungen

• Verständnis der Toleranzmechanismen auf molekularen Ebenen

• Nutzund Toleranzmechanismen für Ertragserhalt

• diagnostische Marker zur schnellerer Züchtung

• Entwicklung von Sorten mit erhöhter Trockentoleranz

Abscisinsäure

• Ausbildung Ruhe-und Alterszuständen

• Förderung Blattfall

• Abtrennung von Blüten und Fruchten (über Ethylen)

• Ausbildung von Knospen-und Samenruhe

• Verschluss Stomata

Ethylen

• reguliert Seneszens (Alterung)

• Abscission (Abwurf) von Blättern, Blüten, Früchten

• Hemmung Wurzelwachstum

• Dormanz (Samen- oder Knospenruhe)

• drought escape

  • anuelle

  • schnelles Wachstum, frühe Blüte, hohe PS-Kapazität

  • Trockenheit endet Wachstumsphase: überdauern als Samen

• drought avoidance

  • anuelle, zwei- und mehrjährige

  • höhere Wassernutzungseffizienz, weniger Transpiration / Stomata, sukkulente Blätter, viel Wurzeln

• drought tolerance

  • zwei- und mehrjährige

  • osmotisch wirksame Substanzen, Zuckeransammlung, Wurzelwachstum

• erhöhte Trocken- und Salztoleranz

• geringer Dünger- und Wasserbedarf

• verstärkte Pathogenresistenz

• verbesserter Ernährungswert

• ein Kandidatengen (HDG11/EDT1) durch T-DNA überexprimiert

  • Transkriptionsfaktor

• verbessertes Verhalten unter Trockenstress

• Umfangreicheres Wurzelsystem

• weniger Stomata

wenn Wasserbedarf > Wasserverfügbarkeit

• Zeitpunkt der Trockenheit

• Dauer der Stressphase

• Intensität der Trockenheit

• flaches Wurzelsystem

• Genome höherer Pflanzen riesig

• unterschiedliche Größen

Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand)

Genomvergleich

• spezifsiche Schnitte

• fluoreszierende Basen eingebaut

• spezifische Karte entsteht

  • gleiches Muster: gleiches Genom

  • längerer Abstand zwischen 2 Mustern: Insertion

• Erfassung großer (>1kb) struktureller Veränderungen

“Illumina”

1. hochrepetitive DNA (Satelliten-DNA)

   • 10^5 - 10^6 Kopien pro Genom

   • Art- und Gattungsspezifische Differenzierung

2. Mittelrepetitive DNA

   • 10^2 - 10^4 Kopien pro Genom

   • ribosomale RNA, tRNA, snRNA

3. Unique oder single copy DNA

   • 1 - 10^2 Kopien pro Genom

   • Strukturgene

zur Feststellung der Menge an (hoch-, mittel-) repetitiven Sequenzen

• ES-DNA absorbiert mehr Strahlung bei 260nm

• Je mehr repetitive Sequenzen, desto schneller reassoziieren Einzelstränge (Annealing)

• DS-DNA erhitzt und wieder abgekühlt, währenddessen Absorption und damit Menge an ES gemessen

• Gehalt an hochrepitititver DNA

• 3 Genome

  • chromosomale DNA

  • mitochondriale DNA

    • Meist maternal

    • paternal bei Musa

    • biparental bei Pelargonium

  • plastidäre DNA

    • meist maternal

• bei höheren Pflanzen: circulär und ds

• Masterchromosom = Summe aller Sequenzen circulär angeordnet

• Sublimons = kleine Circel, enstanden aus intramolekulare Rekombination des Masterchromosoms

  • können unterschiedlich reguliert werden

• Mehr Circel pro Mitochondrium Gewebeabh. und Entwicklungsabh.

• Transkription durch kerncodierte RNA-POL

  • Phagen-Typ-RNAP

• RNA-Prozessierung

  • Gruppe I und Gruppe II Introns

  • Cis- und trans-spleißen

  • Keine Spleißosomen

• RNA-Editing

  • sekundäre Nukleotidsequenzveränderungen in prämRNA

  • idR C zu U (Desaminierung: Amin in Keto-Gruppe)

    • selten U zu C

  • vorwiegens im proteincodierenden Bereich

  • Proteine sind so untereinander ähnlicher als auf Sequenzebene

• eigener Translationsapparat

  • rRNAs: 5S, 18S, 26S

  • Hauptteil mitochondriale tRNAs von mtDNA codiert

cytoplasmatisch-kerngenische männliche Sterilität

• Veränderungen im Mitochondriengenom

• Wechselspiel zwischen Kern und Mitochondrium

• Kein funktionsfähiger Pollen

• maternal vererbt

• Vmtl. Als Vermeidung von Inzucht (Selbstbefruchtung)

• Einsatz in Hybridzüchtung

  • Steuerbar: Restore-Gene im Kern können steriles Cytoplasma wieder aktivieren (dominantes Kerngen, 1 Allel reicht aus)

• eigenständiges Kompartiment, durch Teilung aus sich selbst hervorgehend

• ineinander überführbare Differenzierungsformen (Leukoplasten, Chloroplasten,…)

• eigene Plastiden-DNA

  • zirkulär

  • Anzahl regulierbar

• Aufbau, Funktion duale Kontrolle durch Plastiden- und Kern-DNA

• Vererbung meistens uniparental maternal

• Photosynthese, Stärkebildung und -speicherung, PS-Pigmente, …

• IR: inverted repeat

  • umgekehrte Sequenzwiederholungen

  • tRNA

  • rRNA

  • wenige für Polypeptide

• LSC: large single copy

  • großes Einzelkopieelement

  • tRNA

  • polypeptidkodierende Gene

• SSC: small single copy

  • kleines Einzelkopieelement

  • tRNA

  • polypeptidkodierende Gene

• Transkription durch 2 unterschiedliche RNA-POLS

  • PEP (plastid encoded RNA-POL)

    • mit σ70-Faktor

    • erkennt bakterielle Promotoren

  • NEP (nuclear-encoded RNA-POL)

    • erkennt AT-reichen Promotor, wie Eukaryoten

• ptDNA-Operons

  • viele polycistronische Gene

• RNA-Processing

  • viele mit Exon-Intron-Struktur

  • Gruppe I und II Introns

  • Gruppe III Introns bei Euglena

  • Cis- und trans-Spleißen

• RNA-Editing

  • idR C zu U (Desaminierung)

• Translation

  • eigener Translationsapparat

  • alle tRNAs in Plastiden codiert

• Antibiotika-Resistenz-Mutanten

• Herbizid-Resistenzen

• Photosynthesedefekte

• Panaschierung (helle Flecken)

• Photosystem II

• Fettsäurebiosynthese in Chloroplasten

• generell Plastiden, die nur in Pflanzen vorhanden sind

• Vermeidung ökologischer Gefahren

  • keine Verbreitung über Pollen

• Transformation

  • über Partikelkanone oder Polyethylenglykol-Behandlung von Protoplasten

• Selektion auf homoplastomische Zellen

= genetische Unterschiede, welche im Idealfall mit einem Zielgen gekoppelt sind und so das Vorhandensein des Zielgens im Organismus kenntlich machen

• für Selektion (Marker gestützte Selektion)

  • genomisch oder phänotypisch

• z.B. Farben, Resistenzen

= Einsatz gentechnisch veränderter Organismen (GVOs) in der Landwirtschaft und Ernährung

• Freisetzung ind Inverkehrbringen von GVO

• Kulturpflanzen mit verbesserten agronomischen Eigenschaften

  • Herbizidresistenz

• …

1. Agrobacterium-vermittelte Transformation

   • Agrobacterium tumefaciens

   • Agrobacterium rhizogenes

2. Particle Gun

   • Gold/Wolframpartikel mit DNA beschichtet als Microcarrier

   • Microcarrier auf Macrocarrier

   • Partikelgun schießt auf umgedrehten Macrocarrier

   • Druck beschleunigt Macrocarrier und Microcarrier bis stopping screen

   • Nur Microcarrier kommen weiter und injizieren Zelle

3. Floral Dip

   • Blütenstände kopfüber in Agrobacteriumstände gestülpt

   • enstandenes Saatgut enthält auch transformierte Samen

= Gene zum schnellen Nachweis von Transformation

• schnell, einfach, eindeutig

• Nicht erst komplizierte Analysen

• GUS (β-Glucuronidase)

  • setzt bestimmte Zucker so um dass blauer Farbstoff dabei entsteht

  • stört PS

• GFP aus Qualle

• GFP (Green Fluorescent Protein)

= Gene, die nicht-transformierte Organismen am Wachstum hindern und so selektieren

• Antibiotikatoleranz

• Herbizidtoleranz

• geringe öffentliche Akzeptanz

• Selektionsmarker

• Reportergen

• Primer

• Fremdgen

• Vektor (ti-Plasmid)

  • Mobilisierung

• Klonierung

• Transformation

• Fremdgen kann nicht über Pollen an andere Pflanzen vererbt werden

  • Plastiden nur maternal über Eizelle, nicht über Pollen vererbt

• Transformation über Partikelkanone oder chemisch

• Selektion auf homoplastomische Zellen Voraussetzung

• Verfügbarkeit von Genen

• Verfügbarkeit von Promotoren

• Transformationseffizienz

• Regenerationsfähigkeit transgener Pflanzen

• Erhöhung der Lagerfähigkeit

  • Flavr-Savr-Tomate: Antisense

    • Zellwandabbauende Enzyme bei Reifung

    • Polygalakturonase durch Gen für Antisense mRNA abgeschaltet

• Einführung von Vitaminen

  • Golden rice mit mehr Vitamin A

    • Gene aus Narzisse zur Carotinbiosynthese

  • Steigerung des Carotingehsltes in der Tomate

  • Reis bildet Serumalbumin

• Reduzierung von allergenen Substanzen

  • RNA-Silencing Ansätze

  • Lyc e1-silenced transgene Tomatenpflanzen

    • führt zu Wachstumsverzögerungen