(Yuji Sakai/Getty Images) Genetiker der Stanford University haben einen Weg gefunden, die Struktur von Pflanzenwurzeln während ihres Wachstums und ihrer Verzweigung sorgfältig zu kontrollieren.
Durch die Manipulation der Tiefe und Form eines aufkeimenden Wurzelsystems hoffen die Forscher, dass sie eines Tages Nutzpflanzen umprogrammieren können, um sie widerstandsfähiger gegenüber diesen Einflüssen zu machen Klimawandel .
Ein flacheres Wurzelsystem könnte beispielsweise dazu beitragen, dass Pflanzen Phosphor in Oberflächennähe besser aufnehmen. Ein tieferes Wurzelsystem hingegen könnte besser zum Sammeln von Wasser und Stickstoff geeignet sein.
„Unsere synthetischen genetischen Schaltkreise werden es uns ermöglichen, sehr spezifische Wurzelsysteme oder sehr spezifische Blattstrukturen aufzubauen, um herauszufinden, was für die herausfordernden Umweltbedingungen, von denen wir wissen, dass sie kommen, optimal ist.“ erklärt Bioingenieurin Jennifer Brophy von der Stanford University.
„Wir machen das Engineering von Anlagen deutlich präziser.“
Die genetischen Techniken, die Brophy und ihre Kollegen verwenden, um eine so hohe Präzision zu erreichen, könnten Pflanzen möglicherweise viel schneller umprogrammieren, als sie sich sonst anpassen könnten, und präziser, als sie für wünschenswerte Eigenschaften kultiviert werden könnten.
Mithilfe der Zellen einer Tabakpflanze erstellten Forscher einen synthetischen genetischen Schaltkreis, der die Genexpression steuert – und zeigten, wie er in einer anderen Pflanze funktioniert.
Man kann sich den genetischen Schaltkreis ähnlich wie einen Computercode vorstellen Logikgatter . Nur die richtigen Eingabewerte können in das Tor eindringen und eine Ausgabe erzeugen.
Diese biologischen Kreisläufe sind auch ähnlich wie Stromkreise mit Schaltern , wie die, die Ihr Telefon mit Strom versorgen.
In einer Zelle können diese Tore, die letztendlich zur genetischen Expression führen, nur durch synthetische Transkriptions-„Promotoren“ geöffnet werden, die für bestimmte Pflanzengewebe spezifisch sind. Dies bedeutet, dass Forscher möglicherweise steuern können, welche Zellen in einer Pflanze welche Gene exprimieren und so das Wachstum der Pflanze verändern.
Durch die Schaffung einer Reihe synthetischer Logikgatter für ein einzelnes Gen, das mit der seitlichen Wurzelentwicklung verbunden ist, konnten Forscher das Wachstum einer kleinen Unkrautpflanze, bekannt als Arabidopsis thaliana .
Durch die Veränderung der Expression dieses einen Gens, Forscher veränderte die Dichte der Zweige im Wurzelsystem der Pflanze ohne andere Root-Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Das ist eine große Leistung, denn eine weitere Studie zuvor gezeigt wie kleine Veränderungen in diesem einen Wurzelentwicklungsgen alle Arten von Wurzeleigenschaften beeinflussen können, wie zum Beispiel die Wurzelhaarentwicklung oder das primäre Wurzelwachstum.
„Um die Wurzelverzweigung von anderen Entwicklungsprozessen zu trennen, haben wir das ausgedrückt slr-1 mutiertes Gen unter Verwendung eines gewebespezifischen Promotors, der nur in der Seitenwurzel vorhanden ist Stammzellen ,' die Forscher schreiben .
Als nächstes planen die Autoren, ihre neu programmierten genetischen Schaltkreise zu testen Sorghum , eine einzigartige Nutzpflanze, die als Biokraftstoff vielversprechend ist. Das Team hofft, die Fähigkeit von Sorghum zu verbessern, Wasser aufzunehmen und die Photosynthese effizienter durchzuführen.
Wenn sich diese genetische Technik als wirksam erweist, sind ihre Möglichkeiten grenzenlos. Die Neuprogrammierung von Nutzpflanzen mithilfe synthetischer genetischer Schaltkreise erfordert jedoch eine sorgfältige Abstimmung.
„Wir haben moderne Nutzpflanzensorten, die nicht mehr in der Lage sind, auf die Nährstoffe im Boden zu reagieren.“ sagt Pflanzenbiologe José Dinneny, ebenfalls aus Stanford.
„Die gleichen Logikgatter, die die Wurzelverzweigung steuern, könnten beispielsweise verwendet werden, um einen Kreislauf zu schaffen, der sowohl die Stickstoff- als auch die Phosphorkonzentration im Boden berücksichtigt und dann einen für diese Bedingungen optimalen Output erzeugt.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaft .