Verfeinern, entfernen und verändern: Weizen-Chromosomen zurechtgeschnitten

Einem Forschungsteam des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) ist ein Durchbruch gelungen: Erstmals können Chromosomen in Pflanzen mit komplexem Erbgut, wie beispielsweise Weizen, gezielt verkleinert oder sogar komplett eliminiert werden. Dies erreichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, indem sie die Genschere CRISPR/Cas präzise an hochrepetitiven DNA-Sequenzen ansetzten. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse bergen das Potenzial, zukünftige Züchtungsprozesse durch die gezielte genetische Modifikation erheblich zu beschleunigen.

Effiziente Genom-Modifikation: CRISPR-Durchbruch bei komplexen Nutzpflanzen

In Modellorganismen wie Arabidopsis thaliana gehört die gezielte Manipulation ganzer Chromosomen bereits zum Standard, doch bei Nutzpflanzen mit weitaus größeren Genomen, wie etwa Weizen, blieb dies bislang eine enorme technologische Herausforderung. Um dieses Hindernis zu überwinden, untersuchte ein Forschungsteam des IPK, ob sich hochrepetitive DNA-Abschnitte – die sogenannte Satelliten-DNA – als strategische Angriffspunkte für die CRISPR-Genschere nutzen lassen. Die Hypothese lautete, dass das gleichzeitige Schneiden vieler identischer Sequenzen Auswirkungen auf die Stabilität des gesamten Chromosoms haben könnte. Durch den Einsatz eines virusbasierten Systems zur Übertragung der CRISPR-Komponenten gelang es den Wissenschaftlern zudem, langwierige traditionelle Transformationsprozesse zu umgehen und hocheffiziente chromosomale Veränderungen direkt herbeizuführen.

Gezielte DNA-Schnitte führen zu kontrolliertem Verlust

Dieser Durchbruch markiert einen bedeutenden Fortschritt, da derartige Veränderungen im Erbgut bislang lediglich auf Zufall basierten. Dr. Jianyong Chen erklärt: „Unsere Forschung zeigt erstmals, dass Chromosomen durch gezielte Schnitte an Satelliten-DNA effizient verkleinert werden können.“ Zur Veranschaulichung lässt sich das Prinzip mit einem Seil vergleichen: Werden zeitgleich an mehreren Stellen Schnitte gesetzt, verliert es seine Stabilität und reißt schließlich. Ein identischer Prozess vollzieht sich bei den Chromosomen, sobald eine Vielzahl gleichzeitiger Brüche induziert wird. In bestimmten Fällen resultierte diese Methode sogar im Verschwinden ganzer Chromosomen. „Wenn zu viele Brüche entstehen, kann die Zelle das Chromosom nicht mehr reparieren und es geht vollständig verloren“, erklärt Prof. Dr. Andreas Houben.

Genetische Neugestaltung: Isochromosomen als Basis für innovative Züchtungen

Über den Abbau hinaus können fehlerhafte Reparaturprozesse umgekehrt auch die Entstehung völlig neuer Chromosomenformen, sogenannter Isochromosomen, bewirken. „Viele Schnitte bewirken, dass Chromosomen neu zusammengesetzt werden. Dabei können völlig neue Strukturen entstehen.“ Somit birgt die Methode nicht nur das Potenzial zur gezielten Zerstörung, sondern kann ebenso neue genetische Varianten erschaffen. Diese Modifikationen bieten eine wertvolle Grundlage für die Züchtung künftiger Weizensorten, die mit spezifischen, gewünschten Eigenschaften ausgestattet sind.

Genom-Design statt „genetischer Ballast“: Satelliten-DNA als Schlüssel zur Zucht

Die aktuelle Studie belegt eindrucksvoll, dass sich das pflanzliche Erbgut weitaus präziser modifizieren lässt, als die Wissenschaft bislang annahm. Von besonderem Interesse ist dabei die zentrale Rolle der Satelliten-DNA: Lange Zeit als funktionsloser „genetischer Ballast“ unterschätzt, erweisen sich diese Bereiche nun als ideale Angriffspunkte für moderne Züchtungswerkzeuge. Dies ermöglicht es erstmals, die Chromosomenstruktur und -anzahl selbst bei Nutzpflanzen mit gigantischen Genomen effizient zu bearbeiten. „Das ist die Schlüsselmethode, um künftig gezielt gewünschte Eigenschaften von wilden Verwandten in unseren modernen Weizen zu übertragen“, so die IPK-Wissenschaftler.

Quelle

Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (04/2026)