Gentransfer in der Natur: Die Taktik eines Bodenbakteriums

Bodenbakterien vom Typ Agrobacterium tumefaciens können Teile ihres Erbguts in Pflanzen einschleusen. Die fremden Gene rufen bei den befallenen Pflanzen ein Tumorwachstum (Bild) hervor.

Die Technik des Gentransfers haben sich Molekularbiologen der Natur entlehnt. Bereits in den 80er-Jahren erkannten sie, dass Agrobakterien die Fähigkeit zur gezielten Übertragung von Erbgut besitzen und so auf Pflanzen schmarotzen.

Der Mechanismus, dem sich ein "Naturtalent" wie Agrobacterium tumefaciens bedient, ist relativ einfach und doch raffiniert: Wird eine Pflanze dicht am Boden verletzt, dringen die Bakterien in die Zellen ein und zwingen ihnen neue Erbinformationen auf. Die betroffenen Zellen beginnen sich unkontrolliert zu teilen und bilden innerhalb weniger Wochen knollige Wucherungen zwischen Wurzel und Spross, die so genannten Wurzelhalsgallen. Darüber hinaus produziert die Pflanze exotische Nährstoffe (Opine), die allein die Bakterien nutzen können und deren Vermehrung ankurbeln.

Jedes Bakterium enthält dabei ein kleines, ringförmiges Zusatzchromosom, das Ti- (Tumor-indizierendes) Plasmid. Ein definierter Abschnitt des Chromosoms, den Forscher T-DNA (Transfer-DNA) nennen, wird in die Pflanzenzelle eingeschleust und in deren Erbgut integriert. Er enthält alle Informationen zur Opinbildung sowie die Gene für die Tumorbildung.

Diese neue Form von Parasitismus faszinierte die Wissenschaftler. Sie stellten sich die Frage, ob Agrobakterien nicht auch andere Gene in Pflanzen einschleusen könnten – um so, ungehindert von Artbarrieren, denen die konventionelle Pflanzenzüchtung unterworfen ist – Nutzpflanzen gezielt mit artfremden, aber positiven Eigenschaften auszustatten. 1980 wurde erstmals eine fremde DNA in die T-DNA von Agrobacterium tumefaciens eingebaut und als "blinder Passagier" in das Erbgut von Tabakzellen geschleust. Das Plasmid des Bodenbakteriums diente dabei als Genfähre (Vektor). Mit einem gravierenden Nachteil: Da die T-DNA-Sequenz unverändert blieb, bildete die Pflanze immer noch Tumore. Erst Jahre danach fanden Wissenschaftler einen Weg, die T-DNA zu entschärfen und so die Tumorbildung zu verhindern – die zentrale Vorraussetzung, um diese Technik auch für Züchtungszwecke nutzen zu können.

Protoplasten und "Genkanonen": Weitere Techniken des Gentransfers bei Pflanzen

Agrobakterien sind nicht immer für die Übertragung von Genen auf Pflanzen geeignet: So können nur zweikeimblättrige Pflanzen die fremde DNA der Bodenbakterien aufnehmen. Zudem macht ein Gentransfer in einzelne Zellen nur dann Sinn, wenn sich daraus voll funktionsfähige Pflanzen entwickeln, welche die neuen Eigenschaften zeigen. Diese Charakteristika müssen auch an nachfolgende Generationen weitergegeben werden können. Mittlerweile gelingt dies bei vielen Kulturpflanzen, unter anderem bei Kartoffel, Tomate, Kohl, Raps und Gurke.

Bei einkeimblättrigen Gräsern – wie Weizen, Mais und Reis – muss auf andere Techniken zurückgegriffen werden. Hier die wichtigsten im Überblick:

• Protoplasten nehmen freie DNA auf
  Bei diesem Verfahren wird die pflanzliche Zellwand mit Hilfe von Enzymen aufgelöst. Es entstehen dabei kugelförmige Zellen (Protoplasten), die mit Polyethylenglykol behandelt (PEG-Fusion) oder kurz einem starken elektrischen Feld ausgesetzt werden (Elektroporation), um fremde DNA-Moleküle von außen aufzunehmen. Die Nachteile dieser zwei Verfahren: Die Integration der zugesetzten DNA ins Genom erfolgt zufällig, die Ausbeute stabiler Verbindungen ist relativ gering.

• "Genkanone"
  Seit 1987 kommt darüber hinaus die biolistische Transformation ("Genkanone") zum Einsatz. Wissenschaftler ummanteln dabei kleine Gold- oder Wolframpartikel mit DNA und beschleunigen diese Mikroprojektile, die an eine Teflon-Patrone geheftet werden, in einer Druckkammer und unter Vakuum. Wenn sie mit hoher Geschwindigkeit auf Pflanzenzellen treffen, durchdringen sie deren Wand. Im Inneren der Zellen löst sich dann die Erbinformation von den Trägerpartikeln und kann in den Zellkern aufgenommen werden. So gelang die Aufnahme von fremder DNA in Reis (1988), in Mais (1990) und in Weizen (1992).
  
• Viren als Vehikel
  Als Alternative zu Agrobakterien entwickelten Forscher am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtung in Köln einen modifizierten und inaktiven Pflanzenvirus, den CMV-Virus ("cauliflower mosaic virus"). Dazu wurden einzelne Abschnitte der Virus-DNA entfernt, um sie für die Pflanzenzelle unschädlich zu machen. Stattdessen wurde artfremde DNA eingebaut.

Barbara Abrell (2005)