Wheat with greatly reduced accumulation of free asparagine in the grain, produced by CRISPR/Cas9 editing of asparagine synthetase gene TaASN2

WissenschaftlerInnen ist es gelungen, mit Hilfe der Genschere CRISPR/Cas9 den Gehalt der Aminosäure Asparagin in Weizen stark zu vermindern. Freies Asparagin liegt im Korn des Weizens in erhöhter Konzentration vor. Aus diesem freien Asparagin kann, gemeinsam mit reduzierenden Zuckern, bei starkem Erhitzen von Weizenprodukten Acrylamid gebildet werden. Acrylamid besitzt erwiesenermaßen krebserregende Eigenschaften.

In der Studie wurde die Genschere dazu verwendet, alle Allele des Asparagin-Synthetase-2-Gens (ASN2-Gen) in Weizen auszuschalten. Weizen besitzt noch vier weitere ASN-Gene, das ASN2-Gen wird vor allem im Korn gebildet. Auf diese Weise soll die Menge an freiem Asparagin im Korn reduziert werden, während Asparagin zur Proteinbiosynthese in anderen Teilen des Getreides noch ausreichend zur Verfügung steht. Alle ASN-Gene kommen als einzelne Genkopien in den drei Subgenomen des Weizens vor. Das bedeutet, dass das ASN2-Gen insgesamt sechsmal im Weizen-Genom vorhanden ist.

Es wurden verschiedene genomeditierte Weizenlinien hergestellt, die eine stark verminderte Asparagin-Konzentration im Korn aufwiesen. In der zweiten Generation der genomeditierten Weizenpflanzen war der Asparagin-Gehalt bei einigen Pflanzen im Vergleich zum Wildtyp um 90% vermindert. Eine so starke Herabsetzung des Asparagin-Gehalts im Korn des Weizens wurde bisher mit Hilfe anderer Verfahren nicht erreicht.

Interessanterweise zeigte sich aber auch, dass einige dieser Pflanzen kaum auskeimten. Anscheinend reicht die Menge an gebildetem Asparagin dazu nicht aus. Asparagin ist eine Aminosäure, die in der Proteinbiosynthese benötigt wird, was den beobachteten Effekt erklären könnte. Die WissenschaftlerInnen umgingen dieses Problem, indem sie eine gewisse Menge Asparagin gelöst in Wasser auf die Pflanzen sprühten. Anschließend keimte der genomeditierte Weizen aus.

Überraschenderweise fanden die WissenschaftlerInnen heraus, dass die Asparagin-Konzentration von Generation zu Generation Schwankungen unterliegen kann. Das liegt sehr wahrscheinlich daran, dass ein anderes der insgesamt fünf ASN-Gene unter erhöhten Temperaturen vermehrt gebildet wird und den Anstieg des Asparagin-Gehalts im Korn bewirkt. Die WissenschaftlerInnen erklärten, dass das Gewächshaus beim Anbau dieser Weizenpflanzen erhöhten Temperaturen ausgesetzt war und das sehr wahrscheinlich der Grund für diese Schwankungen ist.

Der genomeditierte Weizen soll in Freilandversuchen getestet werden.

In Freilandversuchen sollen nun diese genomeditierten Weizenpflanzen, gemeinsam mit einem Weizen, der mit chemischer Mutagenese behandelt wurde und ebenfalls einen im Vergleich zum Wildtyp verminderten Asparagin-Gehalt besitzt, getestet werden. Der Weizen aus chemischer Mutagenese zeigt jedoch einen höheren Asparagin-Gehalt als der durch CRISPR/Cas9 veränderte Weizen. Im direkten Vergleich unterscheiden sich die Weizenlinien aus der induzierten Mutagenese und aus den CRISPR/Cas-Experimenten durch die Position und Anzahl der genetischen Veränderungen: Mit Hilfe der Genschere können die WissenschaftlerInnen exakt bestimmen, welche DNA-Sequenz(en) bearbeitet werden sollen. Außerdem können mehrere Allele des ASN2-Gens gleichzeitig verändert werden, was vor allem bei polyploiden Pflanzen wie dem Weizen schwierig durch induzierte Mutagenese erreichbar ist.

Die Freilandversuche sollen zeigen, ob der Asparagin-Gehalt im Korn der Weizenpflanzen unter sich ändernden Umweltbedingungen schwankt. Die Versuche sollen im Herbst 2021 starten und auf einer Fläche von 1500 Quadratmetern stattfinden.