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GMOmics – Weiterentwicklung der Analytik für die Risikobewertung gentechnisch veränderter Pflanzen

Hintergrund

Gentechnisch veränderte Sojapflanzen wurden mittels Proteom- und Metabolomanalysen auf Stoffwechselveränderungen untersucht (© Sarah Agapito-Tenfen)
Student*innen bereiten die Probennahme von Sojapflanzen im Feld vor.

Bevor gentechnisch veränderte (gv-) Pflanzen zum Anbau oder Import zugelassen werden können, müssen sie eine Risikobewertung durchlaufen. Diese Bewertung möglicher Risiken für Mensch, Natur und Umwelt beruht bislang primär auf der „substantiellen Äquivalenz“, also dem Vergleich mit Pflanzen, die nicht gentechnisch verändert wurden und schon lange als sicher gelten. Um die Auswirkungen der gentechnischen Veränderung auf den Stoffwechsel der Pflanze und mögliche Risiken die sich daraus ergeben zu untersuchen, werden allerdings lediglich bestimmte ernährungsphysiologisch relevante Inhaltsstoffe analysiert und verglichen. Einerseits werden unbeabsichtigte Veränderungen so jedoch möglicherweise übersehen, andererseits setzt das Verfahren voraus, dass Pflanzen vorhanden sind, die sich für den Vergleich eignen. Für Pflanzen, die durch neue gentechnische Verfahren wie dem Genome Editing und zunehmend komplex verändert werden (durch „Stacking“ vieler Transgene oder in der Synthetischen Biologie) ist dieser vergleichende Ansatz immer weniger geeignet.

Das Projekt

Gentechnisch veränderte Sojapflanzen wurden mit Komplementärherbiziden behandelt..... (© Caroline Bedin Zanatta)
Gentechnisch veränderte Sojapflanzen und Kontrollen in Töpfen im Gewächshaus, z.T. mit welken Blättern.

Im Gegensatz zur gezielten Analyse einzelner Bausteine machen es sich die Omics-Techniken zur Aufgabe, ein Gesamtbild zu vermitteln. Transkriptomics, Proteomics und Metabolomics stehen dabei für die Untersuchung möglichst aller RNA-Moleküle, Proteine und Stoffwechselprodukte eines Organismus. Im Projekt GMOmics wurden gentechnisch veränderte Sojapflanzen mit verschiedenen Omics-Verfahren auf mögliche unbeabsichtigte Stoffwechselveränderungen untersucht. So behandelt das Projekt primär die folgenden drei Forschungsfragen:

Welche Omics-Analysen sind dazu geeignet, Stoffwechselveränderungen in Folge gentechnischer Eingriffe umfassend zu identifizieren und wie lassen sie sich in die Risikobewertung gentechnisch veränderter Organismen (GVO) integrieren?


....und auf veränderte Genexpression und Herbizidrückstände untersucht (© Caroline Bedin Zanatta)
Eine Studentin sitzt an einer Sterilbank und bereitet Proben für weitere Analysen auf

Führen die konkreten gentechnischen Veränderungen der untersuchten Pflanzen (Soja mit Herbizid- und Insektenresistenz) zu unbeabsichtigten Effekten wie beispielsweise erhöhter Anfälligkeit gegenüber Umweltstress?

Können neue Eigenschaften indirekt zu Stoffwechselveränderungen führen (z. B. durch Behandlung mit dem Komplementärherbizid gegen das die Pflanze durch ihre gentechnische Veränderung resistent ist) und wie sind diese hinsichtlich ihres Risikos für Mensch, Natur und Umwelt zu bewerten?

Zunächst wurde auf Grundlage einer systematischen Literaturrecherche ein Multi-Omics-Konzepts zur umfassenden Untersuchung unbeabsichtigter Stoffwechselveränderungen in GVO entwickelt.


Nach Herbizidanwendung und Trockenstress wurden Phänotyp, Proteom und stoffliche Zusammensetzung der Pflanzen untersucht (© Caroline Bedin Zanatta)
Eine Studentin phänotypisiert Pflanzen in einem Gewächshaus.

Im nächsten Schritt wurden gentechnisch veränderte Sojasorten zusammen mit ihren nächstverwandten nicht-transgenen und weiteren Referenzsorten nach üblichen landwirtschaftlichen Verfahren angebaut und im Folgenden mittels Proteomics und Metabolomics analysiert.

Zur Untersuchung unbeabsichtigter Stoffwechselveränderungen bei der Anwendung von Komplementärherbiziden wurden gentechnisch veränderte Sojasorten unter Gewächshausbedingungen angezogen und gespritzte sowie ungespritzte Pflanzen auf veränderte Genexpression und Herbizidrückstände untersucht.

Zuletzt wurden gv-Pflanzen Komplementärherbiziden und Trockenstress ausgesetzt um mögliche kombinatorische Effekte und ihre Resilienz gegenüber Umweltstressoren zu untersuchen. Hierzu wurden die Pflanzen auf Veränderungen des Phänotyps, also ihrer äußeren Erscheinung, der Zusammensetzung der Proteine und Stoffwechselprodukte sowie Herbizidrückstände untersucht.

Ausblick

Anzucht von Sojapflanzen unter kontrollierten Bedingungen (© Caroline Bedin Zanatta)
Sojapflanze in einem Gewächshaus, im Hintergrund Bewässerungsanlage und Messinstrumente.

Die molekulare Biotechnologie erfährt z. Z. Entwicklungen, die noch vor 10 Jahren kaum vorstellbar waren. Angesichts immer komplexerer gentechnischer Veränderungen ist auch die GVO-Risikobewertung dringend auf Weiterentwicklungen angewiesen, profitiert gleichzeitig aber kaum vom technischen Fortschritt der Analytik. Im Projekt GMOmics werden einerseits Schritte für eine Anwendung zeitgemäßer Analytik in der GVO-Risikobewertung entwickelt, andererseits zeigt es Lücken auf, die es für eine internationale Umsetzung zu schließen gilt, wie mangelnde methodische Harmonisierung und fehlende Schwellenwerte.

Die Genexpressionsanalysen der ersten Publikation des Projekts liefern deutliche Hinweise auf gesteigerte Stressantwort in gv-Pflanzen, die mehrere Transgene tragen und die mit dem Komplementärherbizid behandelt wurden. Diese Transkriptomdaten werden in der Risikobewertung von GVO bereits berücksichtigt, die das BfN im Vollzug des Gentechnikgesetzes durchführt. Die Ergebnisse der verbleibenden Teilprojekte werden dieses Jahr vollständig in begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht.

Publikationen/weiterführende Links

Zanatta et al. (2020): Stacked genetically modified soybean harboring herbicide resistance and insecticide rCry1Ac shows strong defense and redox homeostasis disturbance after glyphosate-based herbicide application. Environmental Sciences Europe 32, Article number: 104. DOI: 10.1186/s12302-02-00379-6

Agapito-Tenfen et al. (2018): Revisiting Risk Governance of GM Plants: The Need to Consider New and Emerging Gene-Editing Techniques. Frontiers in Plant Science. DOI: 10.3398/fpls.2018.01874

Pressemitteilung des Forschungsnehmers zum Projekt

Laufzeit

08/2017 bis 07/2021

Förderprogramm

Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, FKZ 3517841000

Beteiligte Partner

Federal University of Santa Catarina (Brasilien)

Fachbetreuung im BfN

Dr. Friedrich Waßmann, FG I 2.6 Bewertung gentechnisch veränderter Organismen/Gentechnikgesetz

Letzte Änderung: 26.03.2021

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