Maniok mit verbesserter Stärke

Maniok ist weltweit einer der wichtigsten st?rkehaltigen Nutzpflanzen. Ihre st?rkereichen Wurzelknollen machen ¨¹ber eine halbe Milliarde Menschen satt. Und sie wird auch anderweitig eingesetzt, etwa f¨¹r die Papierherstellung oder als Lebensmittelzusatz. Doch obwohl Maniokpflanzen ziemlich anspruchslos sind und selbst in Trockengebieten ¨¹berleben, ist es zeitaufw?ndig, den von Bauern bevorzugten Sorten mittels Kreuzungen neue, n¨¹tzliche Merkmale anzuz¨¹chten.

Zusammen mit zwei ETH Forschungslaboren hat ETH-Wissenschaftler Simon Bull deshalb einen neuen Ansatz gew?hlt, um Maniok mit neuen Eigenschaften auszustatten. Und zwar verwendeten die Wissenschaftler der Labore f¨¹r Pflanzenbiochemie und Pflanzenbiotechnologie zusammen mit Herv¨¦ Vanderschuren von der Universit?t Li¨¨ge die Genschere CRISPR/Cas9, um die Nutzpflanze genetisch zu ver?ndern. Ihre Studie dar¨¹ber ist soeben im Fachmagazin ?externe Seite Science Advances? erschienen.

Die Versuche mit den neuen Maniok-Linien dienten in erster Linie der Grundlagenforschung und der Technologieentwicklung ohne direkten kommerziellen oder industriellen Anwendungen.

Mit dem Gen-Editierwerkzeug ver?nderten sie zwei Gene in Maniok dahingehend, dass die Pflanze ver?nderte St?rke produziert. Diese besteht in der Regel aus 15 Prozent Amylose und 85 Prozent Amylopektin. Die neue St?rke enth?lt kaum oder gar keine Amylose mehr.

Um dies zu erreichen, bauten die Forscher Maniokpflanzen einen Block aus mehreren Fremdgenen ein. Darunter waren das Cas9-Gen und ein Steuerungsgen, welche das CRISPR/Cas9-System ben?tigt, um die Erbsubstanz an der gew¨¹nschten Stelle zu zerschneiden. Weiter enthielt der Block ein Gen aus einer anderen Pflanze, der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, das zum Bl¨¹hen anregt.

Genschere inaktiviert Gene

In embryonalem Maniokgewebe liessen die Forscher die Cas9-Genschere die Gene GBSS und PTST zerschneiden. Beide Gene sind an der Amyloseproduktion beteiligt. Sind diese defekt, kann die Maniokpflanze keine Amylose mehr herstellen.

Mehrere besonders aussichtsreiche Pflanzenvarianten zogen die Forschenden im Gew?chshaus auf und pr¨¹ften sie auf ihren Amylosegehalt in den Wurzelknollen. So fanden die Wissenschaftler einige Varianten, die gar keine Amylose mehr herstellte. Die St?rke in der Wurzel dieses modifizierten Manioks enthielt demnach nur noch Amylopektin.

Der Maniok mit amylosefreien Speicherwurzeln reiht sich ein in eine Liste von global bedeutenden Nutzpflanzen wie Mais und Kartoffeln, die ein ?hnliches Merkmal tragen.

Fremdgene durch Kreuzung eliminiert

Um die eingef¨¹hrten Fremdgene wieder zu entfernen, kreuzten die Pflanzenwissenschaftler zwei Individuen der genmodifizierten amylosefreien Maniokvariante schliesslich miteinander. Bei diesen Individuen wurden die Fremdgene nur auf einem von zwei identischen Chromosomen eingebaut. Maniok besitzt von jedem Chromosom zwei Kopien. Aus diesem Grund sollte jeder vierte Nachkomme, der aus dieser Kreuzung hervorging, frei von Fremdgenen sein.

?Ohne Bl¨¹ten h?tten wir keine Kreuzungen durchf¨¹hren k?nnen, um das fremde Genmaterial zu eliminieren?, betont Bull. Die F?higkeit, nur noch amylosefreie St?rke zu produzieren, blieb jedoch erhalten. ?Das heisst, dass in der ersten Generation von Nachkommen das von uns gew¨¹nschte Merkmal erhalten blieb, die Fremdgene aber restlos ausgekreuzt werden konnten?, sagt der Pflanzenwissenschaftler.

Die Kunst war, Maniok zum Bl¨¹hen und zur Samenproduktion zu bringen. Gew?hnlich bl¨¹ht diese Pflanze im Freiland nur selten, im Gew?chshaus fast nie. Maniok wird in der Regel nicht sexuell vermehrt, sondern ¨¹ber Stecklinge, die genetisch identisch sind.

Methode spart viele Jahre Z¨¹chtung

Das Verfahren, das Bull und seine Kollegen entwickelt haben, beschleunigt die Z¨¹chtung von Maniok erheblich. ?Die gew¨¹nschte Eigenschaft, dass Maniok nur Amylopektin enth?lt aber keine Amylose, hat man auch mit normaler Kreuzungs-Z¨¹chtung hinbekommen, betont Bull. ?Aber daf¨¹r brauchte man tausende von Pflanzen und mehrere Jahre, und nicht nur ein paar wenige Pflanzen, die wir innert weniger Monate entwickelt haben.?

Maniok ist in vielen L?ndern des S¨¹dens und vor allem Afrikas eine wichtige Kohlenhydratquelle. Die Pflanze speichert in ihren Wurzeln grosse Mengen an St?rke. Die Wurzeln werden oft f¨¹r den lokalen Markt weiterverarbeitet. Kleinbauern erzielen damit einen Teil ihres Einkommens.

Weil aber auch amylosefreie Maniokst?rke breit angewendet wird, muss die Amylose vor der Weiterverarbeitung ¨¹ber mehrere zum Teil energieintensive Prozessschritte aus der St?rke entfernt werden. Auch k?nnten Konsumenten die amylosefreie Wachsst?rke bevorzugen. ?Die neue Manioksorte d¨¹rfte deshalb sowohl bei Konsumenten als auch in der Industrie auf grosses Interesse stossen?, hofft Simon Bull.