Die grüne Gentechnik oder Agrogentechnik ist die Anwendung gentechnischer Verfahren im Bereich der Pflanzenzüchtung. Das Ergebnis gentechnischer Verfahren sind gentechnisch veränderte Pflanzen. Insbesondere bezeichnet der Begriff Verfahren zur Herstellung pflanzlicher gentechnisch veränderter Organismen (GVO), in deren Erbgut gezielt einzelne Gene eingeschleust werden. Stammen diese Gene von anderen Arten, entstehen transgene Pflanzen. Die grüne Gentechnik ist somit Bestandteil der grünen Biotechnologie, wobei sich die Bezeichnung „grün“ in Abgrenzung zur „roten“ Biotechnologie und „weißen“ Biotechnologie auf die Anwendung an Pflanzen bezieht. Derzeit werden als gentechnisch veränderte Pflanzen insbesondere herbizid- und insektenresistente Pflanzensorten vermarktet. Grüne Gentechnik ist Teil der Bioökonomie.
Die grüne Gentechnik transferiert (anders als die herkömmliche Züchtung) gezielt Gene. Sie kann Artgrenzen sowie andere Kreuzungsbarrieren (wie etwa Unfruchtbarkeit) überschreiten. Die herkömmliche Pflanzenzüchtung hingegen nutzt als Alternative meist spontane oder induzierte Mutationen, deren Ausprägungen durch äußere Einflüsse (z. B. Kälteschocks oder radioaktive Bestrahlung) hervorgerufen werden. In beiden Fällen ist vor weiterer Züchtung eine selektive Sichtung der Mutationen erforderlich.
Die Frage, ob die Anwendung der grünen Gentechnik wünschenswert oder abzulehnen sei, ist in vielen Ländern lebhaft diskutiert worden. Dabei spielten unter anderem Aspekte der Ernährungssicherheit, des Umweltschutzes, der Wirtschaftlichkeit und des Verhältnisses der Gentechnik zur „Natürlichkeit“ eine Rolle.
Forschung und Techniken Gentechnik in der Forschung Moderne Pflanzenphysiologie untersucht oft molekulare Vorgänge in Pflanzen. Die Gentechnik ermöglicht es, das Verhalten von Genen in der Pflanze gezielt zu beeinflussen. Pflanzenzellen enthalten zwischen 20.000 und 60.000 Gene, deren Funktion bisher nur zu einem Bruchteil bekannt ist. Selbst bei der bestuntersuchten Pflanze (Arabidopsis thaliana) ist noch mehr als die Hälfte der Gene ohne bekannte Funktion.
Um die Funktion eines Gens zu erkennen, ist es in der Regel nötig, die Steuerung des Gens zu modifizieren. Hierfür werden oft drei verschiedene Pflanzenpopulationen untersucht. Die erste, unveränderte, Population wird als Wildtyp bezeichnet. Bei der zweiten Population wird das zu untersuchende Gen hinter einen viralen Promotor kloniert und in die Pflanze übertragen. Diese Population produziert vermehrt das Genprodukt des Gens (meist ein Protein). Diese Population besteht aus Überexpressoren. Eine dritte Population produziert das Genprodukt in geringerem Maße (Knockdown) oder gar nicht mehr (Knockout). Für „Knock down“ wird vorwiegend die Technik der RNA-Interferenz (RNAi) eingesetzt. Klassische „Knock out“-Pflanzen sind T-DNA-Insertionslinien, so dass entweder ein trunkiertes Protein entsteht, welches keine Funktion hat, oder der Promoter des Wildtyp-Gens ist durch die T-DNA-Insertion zerstört. Mit Hilfe der RNAi können „Knock down“-Pflanzen erzeugt werden, wenn zum Beispiel ein „Knock out“ im homozygoten Zustand letal ist. Ein „Knock down“ durch RNAi bietet die Möglichkeit, verschiedene Expressionslevel des Wildtyp-Gens auf Grund der unterschiedlichen Effizienz verschiedener RNAi-Konstrukte zu untersuchen.
Auch komplizierte Regulationsmechanismen sollen aufgeklärt werden, indem nicht nur das Genprodukt, sondern auch die gesamten Änderungen innerhalb der Zelle bzw. Pflanze betrachtet werden. Diese Methoden sollen das klassische Durchmustern von Mutanten um eine viel gezieltere Technik erweitern, mit der es möglich ist, den Effekt gefundener „Kandidatengene“ direkt zu untersuchen.
Zusätzlich zu den oben genannten Techniken gehören auch deskriptive Techniken zur gentechnischen Pflanzenforschung. So werden über Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) Gene kloniert, es werden Häufigkeiten von Transkripten (Bauanleitungen für Proteine) mittels quantitativer PCR bestimmt oder mittels so genannter DNA-Chips gleich die meisten Gene einer Pflanze in ihrer Ablesehäufigkeit bestimmt.
mini|Marc van Montagu und Jozef Schell entwickelten in den 1980er Jahren den Gentransfer mittels Agrobacterium tumefaciens In der modernen grünen Gentechnik ist der Agrobacterium-vermittelte horizontale Gentransfer eine wichtige Technik. Bei dieser gentechnischen Methode werden einzelne Erbfaktoren von Zellen eines Organismus in Zellen eines anderen Lebewesens übertragen. Sie wurde in den 1980er Jahren von Jozef Schell und Marc van Montagu entwickelt.
Die somatische Hybridisierung, eine weitere wichtige Methode, erlaubt es, gewünschte Merkmale verschiedener Elternpflanzen zu kombinieren. Im Vergleich zum Agrobacterium-vermittelten Gentransfer müssen hierbei keine spezifischen Gene identifiziert und isoliert werden. Außerdem wird damit die Einschränkung der Transformation überwunden, nur wenige Gene in ein vorgegebenes Erbgut einführen zu können. Auch kann bei der Zellfusion die Chromosomenzahl der Zellen multipliziert werden, also die Anzahl der Chromosomensätze (Ploidiegrad) erhöht werden. Dies kann die Ertragsfähigkeit von Pflanzen steigern. Molekulare Marker oder biochemische Analysen werden genutzt, um aus der somatischen Hybridisierung hervorgegangene Pflanzen zu charakterisieren und zu selektieren.
Gentechnik in der Pflanzenzüchtung Es existieren eine Reihe gentechnischer Methoden, die nicht alle die Herstellung transgener Pflanzen zum Ergebnis haben. Breite Anwendung haben seit Ende der 1990er Jahre drei Methoden gefunden, um transgene Pflanzen herzustellen: Gentransfer durch Agrobacterium tumefaciens, Biolistische Gentransfers und Protoplastentransformation.Frank Kempken, Renate Kempken: Gentechnik bei Pflanzen. 2. Auflage. 2003, ISBN 3-540-01216-8, S. 83. Daneben haben sich in den letzten Jahren verfeinerte gentechnische Methoden etabliert (Cisgenese, Intragenese, Genome Editing), bei denen der Transfer artfremder Gene nur eines von mehreren verschiedenen Anwendungsfeldern darstellt.N. Podevin, Y. Devos, H. V. Davies, K. M. Nielsen: Transgenic or not? No simple answer! New biotechnology-based plant breeding techniques and the regulatory landscape. In: EMBO Rep. Band 13 2012, S. 1057–1061. doi:10.1038/embor.2012.168 Schließlich lassen sich gentechnisch veränderte Pflanzen auch als Unterlagen zum Pfropfen nutzen.
Transfer durch Agrobacterium tumefaciens Agrobacterium tumefaciens ist ein Bodenbakterium, das ein spezielles Plasmid in das pflanzliche Genom integriert. Auf diesem Weg werden bei Pflanzen Gallen am Wurzelhals als Lebensraum und zugleich die Produktion bestimmter Nährstoffe, so genannter Opine, ausgelöst. Dies macht man sich in der Gentechnik zunutze, indem man das Plasmid, das Tumorbildung und Opinproduktion auslöst, stilllegt und um ein kleineres Plasmid mit Fremdgenen ergänzt, das zuvor in Escherichia coli zusammengesetzt wurde (binäres Vektorsystem).B. R. Frame, H. X. Shou u. a.: Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of maize embryos using a standard binary vector system. In: Plant Physiology. Band 129, Nr. 1, 2002, S. 13–22. doi:10.1104/pp.000653 Anschließend werden Pflanzenstücke mit diesen Bakterienstämmen infiziert, transgene Gewebe selektiert und mittels In-vitro-Kultur wieder zu vollständigen Pflanzen herangezogen.Frank Kempken, Renate Kempken: Gentechnik bei Pflanzen. 3. Auflage. 2006, ISBN 3-540-33661-3, S. 83–91.V. Sidorov, L. Gilbertson u. a.: Agrobacterium-mediated transformation of seedling-derived maize callus. In: Plant Cell Reports. Band 25, Nr. 4, 2006, S. 320–328. doi:10.1007/s00299-005-0058-5
Damit Agrobacterium tumefaciens Pflanzenzellen transformieren kann, müssen diese als Folge einer Verletzung phenolische Substanzen ausschütten, die als „Lockstoff“ für das Bakterium dienen. Da nur sehr wenige einkeimblättrige Pflanzen dies tun, ist der Einsatz weitgehend auf zweikeimblättrige Pflanzen begrenzt. Allerdings konnte durch Zugaben entsprechender Stoffe (z. B. Acetosyringon)D. J. James, S. Uratsu u. a.: Acetosyringone and osmoprotectants like betaine or proline synergistically enhance Agrobacterium-mediated transformation of apple. In: Plant Cell Reports. Band 12, Nr. 10, 1993, S. 559–563. doi:10.1007/bf00233060 das Anwendungsgebiet auf einige Einkeimblättrige und sogar Pilze vergrößert werden. Eine weitere Einschränkung ist, dass Agrobacterium tumefaciens sich ausschließlich zur Transformation der Chromosomen des Zellkerns eignet.
Biolistische Transfers Ein biolistischer Transfer ist im Gegensatz dazu eine rein mechanische Methode des Gentransfers. Hier wird DNA auf Gold- oder Wolframpartikel aufgebracht, die anschließend mit Geschwindigkeiten von mehr als 1.300 m/s in die Zellen geschossen werden. Dies wird mit Hilfe einer Genkanone durchgeführt.
Da die Partikel sehr klein sind, bleiben Zelle und Zellwand dabei weitgehend unbeschädigt. Weitere Vorteile sind, dass das Verfahren für Zellen jedweder Lebewesen geeignet ist, auch auf die DNA von Mitochondrien und Plastiden angewandt werden kann und dass die mögliche Anzahl der transferierten Gene relativ hoch ist. Problematisch ist allerdings, dass der Gentransfer relativ instabil ist, häufig kommt es nur zu einer sogenannten „transienten Expression“, die eingefügte DNA ist also nur vorübergehend aktiv und verliert sich später wieder. Auch kommt es manchmal dazu, dass nur Teile des erzielten Gewebes aus transformierten Zellen bestehen.B. R. Frame, H. Y. Zhang u. a.: Production of transgenic maize from bombarded type II callus: Effect of gold particle size and callus morphology on transformation efficiency. In: In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant. Band 36, Nr. 1, 2000, S. 21–29. doi:10.1007/s11627-000-0007-5R. Brettschneider, D. Becker, u. a.: Efficient transformation of scutellar tissue of immature maize embryos. In: Theoretical and Applied Genetics. Band 94, Nr. 6–7, 1997, S. 737–748. doi:10.1007/s001220050473
Protoplastentransformation Ein dritter möglicher Weg ist die Protoplastentransformation. Hierbei werden die Zellen des zu transformierenden Gewebes zuerst durch Pektinasen vereinzelt (siehe Protoplastenkultur) und anschließend durch Zellulasen die Zellwände aufgelöst (Protoplastenisolation). So erhält man nur noch durch die Zellmembran zusammengehaltene Protoplasten.
Für den eigentlichen Gentransfer wird diesen Protoplasten entweder Polyethylenglykol hinzugefügt oder es erfolgt ein Transfer nach einem kurzen Stromstoß (Elektroporation), wodurch die Membran durchlässig für die DNA wird. Die Methode ist zwar bei allen Pflanzen anwendbar, allerdings ist es äußerst schwierig, anschließend aus den Protoplasten wieder Pflanzen zu regenerieren.
Cisgenese