Gentechnik bei Pflanzen: Chancen und Risiken

281 Pages·2012·22.03 MB·German

by  Frank Kempken, Renate Kempken (auth.)

Kempken · Kempken
Gentechnik
bei Pflanzen
Chancen und Risiken
4. Auflage
Springer-Lehrbuch
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Frank Kempken • Renate Kempken
Gentechnik bei Pflanzen
Chancen und Risiken
4., aktualisierte und überarbeitete Auflage
Professor Dr. Frank Kempken
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Botanisches Institut und Botanischer Garten
Abt. Genetische Botanik und Molekularbiologie
Olshausenstraße 40
24098 Kiel
[email protected]
Dr. Renate Kempken
Langstücken 4
24247 Mielkendorf
[email protected]
Springer Spektrum
ISSN 0937-7433
ISBN 978-3-642-24817-7 e-ISBN 978-3-642-24818-4
DOI 10.1007/978-3-642-24818-4
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Vorwort zur vierten Auflage
Seit der 3. Auflage dieses Buches sind fast sechs Jahre verstrichen. Wir freuen uns
sehr, dass das Interesse an diesem Buch den Verlag dazu bewogen hat, eine vier-
te Auflage herauszubringen. Als wichtigste Neuerung sind nun alle Abbildungen
professionell überarbeitet worden. Hierfür danken wir Herrn Tim Reichentha-
ler. Inhaltlich sind alle Kapitel weitgehend aktualisiert worden, da im Laufe der
letzten Jahre viele Fortschritte und Veränderungen zu verzeichnen waren. Neu
ist auch, dass nun im Anschluss an jedes Kapitel Literaturhinweise aufgenom-
men wurden. Dadurch entfällt das Gesamtregister am Ende des Buches. Bei den
Zitaten überwiegt naturgemäß die englischsprachige Fachliteratur, aber wo mög-
lich, wurden auch deutschsprachige Lehrbücher und Aufsätze mit aufgenommen.
Einigen Personen sind wir für Auskünfte, Informationen und Bilder zu Dank ver-
pflichtet; Dr. Ulrich Ehlers vom Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebens-
mittelsicherheit (BVL) für Hinweise und Weblinks zu Freisetzungsexperimenten,
den Professorinnen und Professoren Bartels, Broer, Schillberg und Frau Dr. Mik-
schofsky für neue Bilder. Dank auch den Firmen BASF, Florigene und Monsanto
für Bildmaterial.
Wir danken ferner all denen, die durch Hinweise und Anmerkungen auf F ehler
oder unklare Begriffe aufmerksam gemacht haben. Außerdem möchten wir den
Kolleginnen und Kollegen danken, die vorherige Auflagen freundlich empfohlen
oder in ihren Werken zitiert haben. Schließlich gilt unser Dank dem Verlag – ins-
besondere Frau Stefanie Wolf – für das fortwährende Interesse und die sehr freund-
liche Betreuung.
Kiel, im Januar 2012 Frank Kempken
Renate Kempken
Vorwort zur ersten Auflage
Interessanterweise ist die Akzeptanz gentechnischer Methoden in der deutschen
Bevölkerung recht unterschiedlich ausgeprägt. Mittlerweile werden Medikamen-
te aus gentechnisch veränderten Organismen akzeptiert. Dies gilt auch für Bereiche
wie zum Beispiel die Anwendung der Gentechnik in der Therapie maligner Tumo-
ren. Der offensichtliche oder zumindest vermutete Nutzen für den Einzelnen hat
hier trotz objektiv bestehender Risiken anscheinend einen Meinungsumschwung
bewirkt. Ganz anders sieht es dagegen im Bereich der pflanzlichen Gentechnik aus.
Hier überwiegt weiterhin die Ablehnung. Die Gründe dafür sind vielfältig: So wird
der Nutzen häufig nicht gesehen, und vielen gilt die Methode einfach als unna-
türlich, auch wenn diese Auffassung im Widerspruch zur Akzeptanz im Humanbe-
reich steht. Vielfach fehlt es wohl auch an Informationen, und wenn Konsumenten
den Eindruck gewinnen, gentechnisch veränderte Nahrungsmittel seien vielleicht
unsicher, kann man ihnen nicht verübeln, dass sie diese meiden. In Zeitungen und
Nachrichtensendungen werden Informationen über die Gentechnik oft drastisch
verkürzt oder schlichtweg falsch oder irreführend präsentiert. Wenn zum Beispiel
eine große überregionale Tageszeitung schreibt „wir sagen Ihnen, in welchen Nah-
rungsmitteln Gene sind“ und damit dem Leser suggeriert, dass „genfreie“ Pflanzen,
die es gar nicht geben kann, die besseren sind, so hat dies schon den Charakter der
Volksverdummung. Auch Begriffe wie „Gen-Tomate“ oder „Gen-Wein“, die bei-
spielsweise im öffentlich-rechtlichen Rundfunk verwendet werden, sind sehr un-
glücklich gewählt. Einigen Meinungsumfragen zufolge glauben viele Deutsche,
dass Nahrungsmittel normalerweise keine Gene enthalten! Die Vermutung, dass
Ablehnung und Furcht vor bestimmten Technologien aus Mangel an Information
entstehen, liegt nahe. Dafür tragen auch Wissenschaftler eine Verantwortung, wenn
sie es versäumen, ihre Forschungsarbeiten und Erkenntnisse der Öffentlichkeit in
verständlicher Form zu präsentieren.
Um diesem Mangel abzuhelfen, haben wir dieses Buch geschrieben. Es rich-
tet sich bewusst nicht an den Spezialisten, sondern die Zielgruppen sind beson-
ders Lehrer, Schüler der gymnasialen Oberstufe, Studenten der Naturwissenschaf-
ten oder Medizin sowie interessierte Laien. Um diesen unterschiedlichen Gruppen
gerecht zu werden, haben wir uns für eine Gliederung entschieden, die im ersten
VIII Vorwort
Kapitel mit einer Einführung beginnt, die unter anderem verdeutlichen soll, dass
fast alle unserer Nahrungspflanzen das Ergebnis menschlicher Zuchtwahl sind. Das
zweite Kapitel richtet sich insbesondere an die Mehrheit der molekularbiologisch
nicht Vorgebildeten und stellt allgemeine Konzepte und Methoden der Gentechnik
dar. Daran schließt sich im dritten Kapitel eine umfangreiche Darstellung der Her-
stellung und des Nachweises von transgenen Pflanzen an. Wir sind der Meinung,
dass das Wissen um die Methodik der pflanzlichen Gentechnik dazu beitragen
kann, vorhandene Ängste abzubauen. Im vierten Kapitel werden konkrete Anwen-
dungen gentechnischer Methoden bei Pflanzen beschrieben, damit der Leser eine
Vorstellung über den Stand der Technik und die zukünftigen Möglichkeiten erhält.
Das fünfte Kapitel beleuchtet die Freisetzung transgener Pflanzen, zeigt auf, wel-
che transgenen Pflanzen oder Pflanzenprodukte kommerziell erhältlich sind und
beleuchtet gesetzliche Bestimmungen. Besonderer Wert wurde schließlich auf eine
umfassende Besprechung der Risikopotenziale im sechsten Kapitel gelegt. Gerade
hier sind nämlich in der öffentlichen Diskussion die größten Defizite zu verzeich-
nen. Den Abschluss bildet Kapitel sieben mit einem persönlichen Ausblick auf die
Zukunft der pflanzlichen Gentechnik. Außerdem haben wir hier eigene Vorstel-
lungen für eine größere Transparenz und bessere Öffentlichkeitsarbeit einfließen
lassen.
Um den unterschiedlichen Ansprüchen der Zielgruppen gerecht zu werden, ha-
ben wir zahlreiche ergänzende Abbildungen und verschiedene didaktische Hilfs-
mittel verwendet. Hierzu zählen die „Boxen“, die, entsprechend gekennzeichnet,
entweder Basisinformationen oder spezielle Ausführungen zu einem Thema enthal-
ten. Die in kleinerer Schrift abgesetzten Exkurse im Text ergänzen den Haupttext
mit interessanten Details. Die Kernaussagen am Kapitelende und nicht zuletzt ein
ausführliches Glossar tragen ebenfalls zum besseren Verständnis dieses Buches bei.
Die Autoren wünschen sich, dass dieses Buch dazu beitragen kann, dass die Dis-
kussion über transgene Pflanzen in Zukunft sachlicher geführt wird und auf mehr
Kenntnissen in der interessierten Öffentlichkeit fußt. Wir glauben, dass eine besser
informierte Öffentlichkeit nicht nur auf die eventuellen Risiken der pflanzlichen
Gentechnik abhebt, sondern auch die tatsächlich vorhandenen Chancen einer wirk-
lichen Zukunftstechnologie zu nutzen bereit ist.
Entstanden ist die Idee zu diesem Buch spontan während einer Diskussion über
die Probleme im Verständnis von Öffentlichkeit und Wissenschaftlern. Sie wurde
in Form einer E-mail an den Springer-Verlag herangetragen. Die zuständige Lekto-
rin, Frau Dr. Christine Schreiber, war interessiert und so ist aus der Idee tatsächlich
recht schnell ein Buch geworden. Hierfür gilt unser besonderer Dank dem Springer
Verlag und seinen Mitarbeitern, besonders Frau Dr. Christine Schreiber und Frau
Stefanie Wolf.
Unser Dank gilt darüber hinaus allen, die durch Anregungen und Vorschläge
zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben. Ganz besonders danken wir Frau
Dr. Heike Holländer-Czytko, Herrn Dipl.-Ing. Karl-Heinz Kempken, Herrn Prof.
Dr. Ulrich Kück und Frau Dr. Stefanie Pöggeler für die kritische Durchsicht des
Manuskriptes. Herrn Hans-Jürgen Rathke gilt unser Dank für die Anfertigung von
Vorwort IX
einigen Abbildungen und Frau Dipl.-Biol. Kerstin Stockmeyer für die Überlassung
einiger Fotografien. Herrn PD Dr. Detlef Bartsch danken wir für Informationen
zur ökologischen Auswirkung von transgenen Pflanzen. Dem Max-Planck-Institut
für Züchtungsforschung in Köln, dem Robert-Koch-Institut in Berlin, Herrn Prof.
Weiler (Bochum) sowie den Firmen BIORAD und Monsanto danken wir für die
freundliche Bereitstellung von Bildmaterial.
Bochum und Marburg, im Februar 2000 Frank Kempken
Renate Kempken
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ........................................................................................................ 1
1.1 Traditionelle Pflanzenzüchtung ......................................................... 1
1.2 Gen- und Biotechnik in der Pflanzenzüchtung ................................... 8
1.3 Meilensteine der Entwicklung der pflanzlichen Gentechnik ............ 13
Literaturhinweise ................................................................................... 17
2 Grundlagen und Methoden der Gentechnik ............................................. 19
2.1 Grundlagen der molekularen Genetik .............................................. 19
2.1.1 Aufbau von DNA und RNA ................................................. 19
2.1.2 Die Transkription ................................................................. 25
2.1.3 Die RNA-Prozessierung ...................................................... 28
2.1.4 Die Translation .................................................................... 30
2.1.5 Regulation der Genexpression ............................................. 33
2.2 Grundlegende Methoden der Gentechnik ........................................ 37
2.2.1 Restriktionsendonukleasen .................................................. 37
2.2.2 Southern Blot und Hybridisierung ....................................... 39
2.2.3 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ...................................... 42
2.2.4 Klonierung von DNA ........................................................... 44
2.2.5 Sequenzanalyse ................................................................... 46
2.2.6 Nachweis von Proteinen mithilfe von Antikörpern .............. 51
2.3 Spezielle molekularbiologische Methoden ...................................... 56
2.3.1 DNA-Marker und Restriktions-Längenpolymorphismus ..... 57
2.3.2 Die Genomanalyse .............................................................. 60
2.3.3 Bioinformatik ...................................................................... 67
2.3.4 Die Herstellung von Mutanten ............................................ 69
2.3.5 Die Transkriptanalyse .......................................................... 78
2.3.6 Die Proteomanalyse ............................................................. 86
Literaturhinweise ................................................................................... 88
3 Herstellung, Nachweis und Stabilität von transgenen Pflanzen .............. 89
3.1 Transformations-Methoden ............................................................. 89
3.1.1 Agrobacterium-tumefaciens-vermittelte Transformation .... 89
3.1.2 Biolistische Transformation ................................................. 98
XII Inhaltsverzeichnis
3.1.3 Protoplastentransformation................................................ 102
3.2 Selektions- und Reportergensysteme ............................................. 104
3.2.1 Verwendung von Antibiotikaresistenzgenen ..................... 105
3.2.2 Alternative Selektionssysteme ........................................... 105
3.2.3 Reportergene ..................................................................... 108
3.3 Regeneration intakter Pflanzen ...................................................... 109
3.4 Nachweis der genetischen Veränderung.......................................... 113
3.5 Expression von transformierter DNA ............................................. 117
3.5.1 Ektopische Expression....................................................... 120
3.5.2 Zell- und gewebespezifische Expression ........................... 120
3.5.3 Import in spezifische Zellkompartimente........................... 121
3.6 Stabilität von transgenen Pflanzen ................................................. 123
3.6.1 Inaktivierung durch Methylierung ..................................... 123
3.6.2 Posttranskriptionale Geninaktivierung (PTGS) ................. 124
3.7 Entfernung von Resistenzgenen .................................................... 126
3.8 Von der Primärtransformante zum Freilandversuch ....................... 130
Literaturhinweise ................................................................................. 132
4 Neue Eigenschaften transgener Pflanzen ................................................. 135
4.1 Erhöhte Resistenz und verbesserte Anpassungen an
Umweltbedingungen ..................................................................... 135
4.1.1 Herbizidresistenz ............................................................... 136
4.1.2 Schutz vor Schadinsekten .................................................. 142
4.1.3 Schutz vor pflanzenpathogenen Viren ................................ 146
4.1.4 Schutz vor pathogenen Bakterien und Pilzen ..................... 149
4.1.5 Resistenz gegen umweltbedingte Stressfaktoren ............... 151
4.2 Veränderungen von pflanzlichen Metaboliten für
die Ernährung ............................................................................... 154
4.2.1 Kohlenhydrate und Fettsäuren ........................................... 155
4.2.2 Proteingehalt und essenzielle Aminosäuren ....................... 160
4.2.3 Vitamine, Mineralien und Spurenelemente ........................ 160
4.2.4 Reduktion von Allergie auslösenden Stoffen ..................... 163
4.2.5 Lagerungsfähigkeit und Geschmack .................................. 164
4.3 Herstellung von biopharmazeutischen Proteinen .......................... 166
4.3.1 Expression und Glykosylierung von
Biopharmazeutika in Pflanzen ........................................... 168
4.3.2 Impfstoffe ......................................................................... 170
4.3.3 Biopharmazeutika mit therapeutischer Wirkung ................ 173
4.4 Rohstoffproduktion mit transgenen Pflanzen ................................. 174
4.4.1 Polyamide .......................................................................... 174
4.4.2 Polyester ............................................................................ 175
4.5 Bodensanierung ............................................................................. 176
4.6 Veränderte Sekundärmetabolite .................................................... 178
4.6.1 Alkaloide ........................................................................... 178
4.6.2 Flavonoide ........................................................................ 180