Beschleunigung der natürlichen Selektion im Labor: Pflanzengenen neue Tricks beibringen
Wissenschaftler sagen, dass Pflanzengene jetzt dort weiterentwickelt werden können, wo sie sich befinden – im Inneren des Blattes.
Wissenschaftler betonen seit Jahren, dass gerichtete Evolution eine der wirksamsten Methoden zur Verbesserung von Proteinen ist. Dabei werden viele leicht unterschiedliche Genvarianten hergestellt, die besten getestet, die erfolgreichsten beibehalten und der Vorgang wiederholt – vergleichbar mit einer beschleunigten natürlichen Selektion im Labor.
Bisher wurde dieses Verfahren jedoch hauptsächlich bei Mikroben, Tierzellen oder im Reagenzglas angewendet, während Nutzpflanzen lange Zeit unberücksichtigt blieben. Bis jetzt. Forscher in China berichten, einen Weg gefunden zu haben, diesen Prozess in Blättern zu beschleunigen – ein Vorgang, der aufgrund der langsamen Zellteilung von Pflanzen normalerweise sehr lange dauert.Ein Blatt in vier Tagen
Das Forschungsteam hat einen Zusammenhang zwischen der nützlichen Aktivität eines Gens und der schnellen DNA-Replikation in einem Blatt festgestellt. Dadurch vermehren sich die besten Varianten, während die schwachen verschwinden.
Unter der Leitung von Professor Gao Caixia am Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und Professor Qiu Jinlong am Institut für Mikrobiologie präsentiert sich die Forschung in Form einer Plattform namens „Geminivirus Replicon-Assisted in Planta Directed Evolution“ (GRAPE). Laut der Studie nutzt der Ansatz die Eigenschaften von Geminiviren – pflanzlichen DNA-Viren, die für ihre Rolling-Circle-Replikation bekannt sind und dadurch viele Kopien zirkulärer DNA erzeugen.
Das Verfahren funktioniert, indem ein Gen von Interesse im Labor mutiert und die Varianten in künstlich hergestellte zirkuläre DNA-Replikons eingefügt werden.
Diese Genbibliotheken werden dann in die Blätter von Nicotiana benthamiana eingebracht, erklärten die Wissenschaftler. Wenn eine Variante die gewünschte Funktion erfüllt, löst sie eine verstärkte Replikationsvermehrung aus und wird dadurch häufiger. Die Varianten, die keine Funktion erfüllen, bleiben dabei nicht zurück. Der Zyklus ist auf einem Blatt in etwa vier Tagen abgeschlossen, was für eine Pflanze relativ schnell ist, so die Forscher.
Eine widerstandsfähigere Landwirtschaft?
Das Forschungsteam argumentiert, dass GRAPE besser für pflanzenspezifische Probleme geeignet sei als Systeme, die Gene in Mikroben entwickeln, da die Selektion innerhalb von Pflanzenzellen stattfindet und die Methode auf Merkmale abzielen kann, die auf der pflanzlichen Regulation beruhen.
Sie fügen hinzu, dass jede Funktion, die an die Rolling-Circle-Replikation gekoppelt werden kann, ein Kandidat ist. Dies könnte über die Immunität hinaus positive Entwicklungen bedeuten, von Proteasen für die Forschung bis hin zu zukünftigen Merkmalen, die für die Pflanzenzüchtung relevant sind.
Die Wissenschaftler betonen, dass ein wesentlicher Vorteil darin besteht, die Ergebnisse schneller und skalierbarer zu gestalten und weniger Sackgassen beim Transfer vom Labor in die Praxis zu vermeiden. Sollte dies zutreffen, könnte GRAPE sich zu einem weiteren Werkzeug für eine schnellere Pflanzenzüchtung und langfristig zu einer widerstandsfähigeren Landwirtschaft entwickeln.
Quellenhinweis:
Engineered geminivirus replicons enable rapid in planta directed evolution, published in Science, 2025.