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Genetic engineering in the oilseed crop camelina: establishment and application

  • Barno Ruzimurodovna Rezayeva

Publikation: Qualifikations-/StudienabschlussarbeitDissertation

Abstract

Die in vitro-Regeneration und Agrobakterien-vermittelte genetische Transformation sind essentielle Methoden der Pflanzen- und Züchtungsforschung. Die Anwendungsmöglichkeiten moderner biotechnologischer Methoden sind jedoch bei einigen Nutzpflanzen durch noch zu ineffiziente Protokolle limitiert. Davon betroffen ist insbesondere die Nutzung des erheblichen Potenzials der Genom-Editierung. Um diese Einschränkungen bei der zunehmende Bedeutung gewinnenden Ölsaat Leindotter (Camelina, Camelina sativa) zu überwinden, wurden unreife zygotische Embryonen für die in vitro-Regeneration verwendet, da davon auszugehen war, dass Gewebe dieser Ausgangsexplantate im Verlgeich zu herkömmlichen, ausdifferenzierten Pflanzenteilen eine höhere Totipotenz aufweisen. Nachdem die Bildung von Adventivsprossen und deren Weiterentwicklung zu Pflanzen unter Verwendung der experimentellen Akzession Cam139 tatsächlich mit hoher Effizienz erreicht worden war, wurden die dem zugrunde liegenden initialen Entwicklungsprozesse auf zellulärer Ebene anhand von mikroskopischen Präparaten untersucht und dabei ermittelt, dass die regenerativen Strukturen ihren Ursprung in den äußersten Schichten des Hypokotyls haben. Zudem ist es gelungen dieses für dikotyledone Pflanzen weitgehend neuartige Regenerationsprinzip auch für die aktuelle Camelina-Sorte Ligena anzuwenden. Das neu entwickelte Regenerationsprinzip wurde dazu genutzt, eine Methode der Agrobakterien-vermittelten Transformation für Camelina zu etablieren. Bei diesen experimentellen Arbeiten wurden mehrere Einflussfaktoren variiert, darunter die gezielte mechanische Verwundung, die Dauer der Vor- und Co-Kultur sowie die Konzentration des Selektionsagens Hygromycin. Auch diese Methode erwies sich für aktuelle Sorten anwendbar, wobei Transformationsraten von bis zu 17 % (bezogen auf die Anzahl kultivierter Explantate) erreicht wurden. Schließlich wurde die neu etablierte Transformationsmethode verwendet, um das Gen des Fettsäure-modifizierenden Enzyms FATTY ACID ELONGASE 1 (FAE1) durch genspezifische Mutagenese mittels CRISPR-assoziierter (Cas)9-Endonuklease auszuschalten. Dazu wurde eine protoplastenbasierte Methode der funktionellen Validierung von in silico vorselektierten Cas9-Zielmotiven und den entsprechenden guide (g)RNAs entwickelt. Anhand dieses Tests wurden Mutationen in allen drei vorläufig ausgewählten, FAE1-spezifischen Zielmotiven aller drei homöologen Camelina-Subgenome nachgewiesen. Bei der Tiefensequenzierung Zielregion-spezifischer PCR-Amplicons von genomischer Protoplasten-DNA waren dabei bis zu 15 % der Sequenzier-Reads mutiert. Nach Verwendung des gleichen Konstrukts für die Herstellung stabil transgener Pflanzen wurden Mutationsereignisse ebenfalls in allen drei FAE1-spezifischen Zielmotiven aller drei Homöoallele nachgewiesen. Aufgrund dieser hohen Effizienz wiesen 8 von 9 primär-transgenen Pflanzen Mutationen in allen drei FAE1-Homöoallelen auf. Folglich konnten dreifach-homozygote fae1-Knockout-Mutanten bereits in der ersten Selbstungsgeneration identifiziert werden. Fettsäure-Profilanalysen dieser Knockout-Linien ergaben, dass die ernährungsphysiologisch besonders wertvollen Anteile von Linolsäure (C18:1) und -Linolensäure (C18:2) signifikant erhöht und die zu beeinträchtigter Ölqualität führende Erucasäure (C22:1) auf kaum detektierbare Spuren reduziert war. Insgesamt gesehen umfasst die vorliegende Arbeit bedeutende Fortschritte von der biotechnologischen Erschließung der Ölsaat Camelina bis hin zum erfolgreichen Einsatz der Genom-Editierung mit dem Ergebnis der Entwicklung von Elite-Linien mit bislang unerreicht hoher Ölqualität als wichtige Grundlage einer gesunden Ernährung.
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDoktor(in) der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
Gradverleihende Hochschule
  • Leibniz Universität Hannover
Betreuer*in / Berater*in
  • Winkelmann, Traud, Betreuer*in
Datum der Bewilligung7 Apr. 2025
ErscheinungsortHannover
Herausgeber (Verlag)
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 30 Juli 2025

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