Einführung in Biotechnologie der Pflanzen für Ernährungswissenschaftler PD Dr. Klaus-J. Appenroth

1. Einführung in Biotechnologie der Pflanzen für Ernährungswissenschaftler PD Dr. Klaus-J. Appenroth Lehrstuhl Pflanzenphysiologie Wintersemester 2012/ 2013

2. 1. Einordnung der Biotechnologie als eine Einführung 2. Der jetzige Stand 3. Einige molekularbiologische Grundlagen 4. Biotechnologische Methoden, die man kennen muss! Teil I 5. Was sind Mutanten und wie werden sie erzeugt? 6. Wie macht man gentechnisch veränderte Pflanzen? 7. Biotechnologische Methoden, die man kennen muss! Teil II 8. Umweltaspekte und ethische Erwägungen 9. Biotechnologische Diagnostik Vorläufiges Programm, interaktiv

3. Moderne Biotechnologie der Pflanzen = Anwendung von Methoden der Molekularbiologie und Zellbiologie zur Pflanzenzucht (Verbesserung von Sorten, Züchtung neuer Sorten) und zum Pflanzenschutz.

4. Was bedeutet bessere Pflanzen? • Höherer Ertrag (Quantität) • höhere Toleranz gegen Umweltfaktoren (Krankheiten, • Trockenheit…) • höhere Nahrungsmittelqualität (Proteine, Fette) • bessere Lagerqualität • einfachere Handhabbarkeit (Ernte, Transport, • Prozessierung) • Wichtig: • Der ökonomische Aspekt darf nicht vergessen werden, • sonst ist die moderne Züchtung (Biotechnologie) schnell • „out of business“!

5. Aufgaben der pflanzlichen Biotechnologie • Erhöhung des Ertrages • Verbesserung der Qualität • Schutz der Umwelt

6. Züchtung bedeutet Veränderung des Erbgutes. Wie kommt es zu solchen Veränderungen? Züchtung macht Gebrauch von sexueller Fortpflanzung und den damit verbundenen Zufallsgeneratoren.

7. Drei Zufallsgeneratoren im sexuellen • Fortpflanzungscyclus • Crossing over (Intrachromosomale Rekombination) • In der meiotischen Prophase kommt es zu vielfachen Stück- • austausch zwischen entsprechenden mütterlichen und • väterlichen Chromosomen des diploiden Chromosomensatzes; • Ort und Ausmaß dieser reziproken Stückaustausche sind • weitestgehend zufällig. • 2.Interchromosomale Rekombination • Bei der ersten meiotischen Teilung werden mütterliche und • väterliche Chromosomen zufällig auf die beiden Tochterzellen • verteilt. • 3. Gametenverschmelzung • Bei der Gametenverschmelzung ist es wieder dem Zufall • überlassen, welche Gameten im konkreten Fall zu einer Zygote • verschmelzen.

9. Crossing over (Intrachromosomale Rekombination)

10. Veränderungen der Landschaft zwischen 1830 und 2005

13. 1990

15. Anteil des Verdienstes für Nahrungszwecke: 19. Jhdt.: Nahrungsbedarf finanziell nicht gedeckt 1955: 35 % 1995: 16 %

17. Ziel der Ertragsphysiologie Erzielung hoher Energieumsetzungsfaktoren bei stabilen Ökosystemen.

18. Ertragsfaktoren

21. Vor ca. 3000 Jahren:

23. Verwendung: Körner als Viehfutter, Rohstoff für Backwaren, Bier und Breie.10-13% Eiweiß im Korn, davon 3-4% Lysin

24. Antagonisten der Produktionsverfahren ☻“Schädlinge“ (Insekten, Pilze, Viren…) ☻Konkurrierende Wildkräuter (Arabidopsis thaliana…) ☻Abiotischer Stress (Wasser, Salz, Schadstoffe, Schwermetalle, Licht, UV…)

25. Produktionsverfahren 1. Mineralstoffdüngung 2. Herbizide

26. Produktionsverfahren 1. Mineralstoffdüngung 2. Herbizide

27. COHNSMgKPCaFe CohnsMargarete kocht prima Caffee

28. Der Stickstoffkreislauf

30. N2-Fixierung durch Fabaceen 40 % der Anbaufläche müsste zur Deckung mit Erbsen oder Bohnen bebaut werden. Außerdem…

31. Ertragsverlust durch N2-Fixierung

32. Produktionsverfahren 1. Mineralstoffdüngung 2. Herbizide

33. Produktionsverfahren 1. Mineralstoffdüngung 2. Herbizide

34. HERBIZIDE 1. Vorlauf-Herbizide (nicht selektiv) 2. Nachlauf-Herbizide (selektiv) erstes Herbizid (Chloridazon): 2 kg(ha heutiges Herbizid (Cycloxydim): 0.2 kg(ha

35. Wie wird Selektivität erreicht? • Dikotyle Pflanzen (oft Wildkräuter) werden oft geschädigt, • monokotyle Pflanzen (z.B. Getreide) sind hingegen resistenter. • Ursachen für erhöhte Empfindlichkeit von Dikotylen: • Die Kutikula schütz Monokotyle besser. • Meristeme sind bei Dikotylen leichter zugänglich. • Blattfläche (Aufnahmefläche) ist bei Dikotylen größer. • Blattstellung bei Dikotylen lässt Lösungen leichter verweilen.

36. (dicotyl) (monocotyl)

37. Mechanismen der Herbizidwirkungen • Inhibitoren von Zielproteinen • Bleichherbizide • Photosynthesehemmstoffe

38. Mechanismen der Herbizidwirkungen • Inhibitoren von Zielproteinen Beispiel 1: Glutaminsynthetase

39. Mechanismen der Herbizidwirkungen 2. Bleichherbizide

40. Mechanismen der Herbizidwirkungen 3. Photosynthesehemmstoffe Hemmung des D1-Protein Hemmung der Photosynthese durch ein Herbizid

41. Moderne pflanzliche Biotechnologie = Anwendung von Methoden der Molekularbiologie und der Zellbiologie zur Pflanzenzucht (Verbesserung von Sorten, Züchtung neuer Sorten) und zum Pflanzenschutz.

42. Was bedeutet „bessere“ Pflanzen? • Höhere Erträge • höhere Toleranz gegen Umweltfaktoren (Krankheiten, • Trockenheit, …) • höhere Nahrungsmittelqualität (Proteine, Fette) • bessere Lagerqualität • einfachere Handhabbarkeit (Ernte, Transport, • Prozessierung) • attraktiver (Blütenfarbe, Form) • Wichtig • Der ökonomische Aspekt darf nicht vergessen werden, • sonst ist die Züchtung (Biotechnologie) schnell „out of • business“

43. Aufgaben der pflanzliche Biotechnologie Erhöhung des Ertrages Verbesserung der Qualität Schutz der Umwelt

44. Klassische Züchtung war in der Vergangenheit und ist in der Gegenwart enorm erfolgreich bei der genetischen Veränderung von Nutzpflanzen. Ihr Potential wird heute durch Molekularbiologie (= rekombinante DNA-Technologie) ergänzt.

45. Wie kann man neue Pflanzensorten erzeugen?

46. Erzeugung neuer Pflanzensorten • 0. Auswahl • Traditionelle Züchtung • Eine große Zahl von Genen wird gleichzeitig rekombiniert. • Es verändern sich viele Eigenschaften in schwer vorher- • sagbarer Weise. Nur bei nahen Verwanden (Art). • 2.Zellfusion + in vitro • Prinzipiell wie bei traditioneller Züchtung, jedoch Erweiterung • des Verwandtschaftsgrades. • 3.Gentechnologie • = rekombinante Gentechnologie. • Einzelne oder wenige Gene werden verändert. Ergebnis • leichter vorhersehbar. Prinzipiell alle Gene aus allen Organismen • verfügbar.

47. Was sind cisgene Pflanzen ?

48. Zellfusion

49. Regeneration isolierter Zellen