Transformation mit Sprühflasche

Agrobacterium tumefaciens, Genkanone oder PEG-induzierte Proto­plasten-Transfor­mation sind die üblichen Methoden, um DNA in Pflanzen einzu­schleusen und diese genetisch zu modifi­zieren. Leider sind diese Verfahren recht ineffi­zient und sehr kost­spielig.

Ein Team um die Pflanzen­forscherin Heather Whitney von der Universität Bristol hat einen erstaunlich einfachen Weg gefunden, DNA in Pflanzen zu verfrachten: Das Team funktio­na­lisierte sogenannte Carbon-Dots (CDs) als Träger, die Plasmide in Pflanzen­zellen transportieren. Für die Synthese der ungiftigen, wasser­löslichen CDs nutzten die Forscher einen sehr einfachen und kosten­günstigen Weg, bei dem in einer nur drei­minütigen Reaktion in der Mikro­welle aus Kohlen­hydrat-Ausgangs­material mit Aminen funktio­nalisierte Carbon-Dots entstehen. Die CDs wurden in weiteren Reak­tionen pegyliert und ans­chließend mit verschiedenen spektro­skopischen Methoden charakte­risiert. Die Engländer wiesen mittels dynamischer Licht­streuung nach, dass die pegylierten CDs mit Plasmiden einen Komplex bilden, in dem die positive Ladung der expo­nierten Amine mit der partiell negativ geladenen Plasmid-DNA wechselwirkt.

Dots in der Pflanzenzelle

Doch wie bekommt man die Carbon-Dots mit den Plasmiden in die Pflanzen­zelle rein? Indem man die Pflanzen einfach mit einer gewöhn­lichen Sprüh­flasche besprüht. Die Carbon-Dots finden ihren Weg ganz allein in die Zellen, und das ganz ohne vorher die Pflanzen­blätter beschädigen zu müssen. Dass die CDs wirklich aufge­nommen worden waren, überprüfte Whitneys Gruppe auf einfache Weise: Die Forscher wiesen die CDs durch ihre Fluo­reszenz bei 475 nm in den Pflanzen nach. In Kontroll­pflanzen sahen sie dagegen keine Fluo­reszenz. Außerdem stellte das Team fest, dass sich die CDs nicht in den Chloro­plasten ansam­melten, sondern sich innerhalb der soma­tischen Zellen verteilten.

So weit so gut, doch wie sieht es mit der prak­tischen Anwen­dung aus? Gar nicht so schlecht, wie ein weiteres Experi­ment der Gruppe zeigt. Whitneys Mitar­beiter besprühten verschie­dene Pflanzen­arten mit CD-Plasmid­komplexen, die ein GFP-Gen mit einer Kernlokali­sations-Sequenz trugen. Die CDs transpor­tierten das Plasmid in die Pflanzen­zellen und das GFP-Protein machte sich wie gewünscht auf den Weg in den Kern. Fehlten in den Kontrollen CDs oder Plasmide, blieb das GFP-Signal im Kern aus. Das Experiment funktio­nierte mit verschie­denen Pflanzen­arten, darunter die wichtigen Getreide­kulturen Weizen, Mais und Gerste sowie die als „Orphan Crop“ geltende Hirse. In Weizen erreichte die Gruppe eine Trans­formations­effizienz von knapp dreißig Prozent.

Deletion im Weizengenom

Neben GFP trug das Plasmid auch das für Cas9 codierende Gen und eine guideRNA (gRNA), mit dem Ziel, eine Deletion in das Pflanzen­genom einzu­führen. Die gRNA war gegen zwei Abschnitte in den SPO11-Genen von Weizen gerichtet, die etwa 250 bp aus­einander lagen, um die dazwischen­liegende Sequenz auszu­schneiden. Nach Aufsprühen der entspre­chenden CD-Plasmid-Komplexe fand das Forscher­team ein PCR-Produkt von SPO11, das 230 Basen­paare kürzer war, als das nicht-editierte Gen. Die Carbon-Dots funktio­nierten also auch bei der Genedi­tierung von Pflanzen.

Die Vorteile von CDs liegen laut Whitney und ihrem Team auf der Hand: Sie lassen sich aus natürlich vorkom­menden ungif­tigen Materi­alien herstellen, oder kommen sogar selbst natürlich vor. Die Herstellung ist leicht, schnell und kosten­günstig und benötigt nicht viel an tech­nischer Aus­stattung. Zudem sind sie einfach anzu­wenden und ermög­lichen es, verschie­dene Pflanzen­arten wie Modell­orga­nismen oder Getreide­pflanzen genetisch zu modifi­zieren. Und zu guter Letzt wirkt sich die Transfor­mation mit den CDs nicht negativ auf die Photo­synthese oder das Wachs­tum der Pflanzen aus.

Miriam Colindres

Doyle C. et al. (2019): A simple method for spray-on gene editing in planta. BioRxiv, DOI: 10.1101/805036