Karlsruhe, Germany
May 25, 2020

• CRISPR/Cas revolutionizes crop cultivation by specific combination of properties
• New genome modification technology presented in Nature Plants
   

For the first time, chromosomes of the thale cress model plant were recombined with the help of the Cas9 protein. (Figure. Angelina Schindele, KIT)

The CRISPR/Cas molecular scissors work like a fine surgical instrument and can be used to modify genetic information in plants. The research teams of Professor Holger Puchta of Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and Professor Andreas Houben from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben have now been the first to not only exchange single genes, but to recombine entire chromosomes with the CRISPR/Cas technology. In this way, desired properties can be combined in crops. Their work using the thale cress model plant is reported in Nature Plants. (DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-020-0663-x )

For thousands of years, humans have taken advantage of the fact that the genetic material of organisms changes by evolution. They cultivate crops that produce high yields, are aromatic or resistant against diseases, pests, and extreme climatic conditions. For this purpose, they choose plants with various favorable properties and crossbreed them. This approach, however, is very time-consuming. Moreover, it is impossible to prevent disadvantageous traits from entering the plants.

Molecular biologist Professor Holger Puchta studies how plants can be cultivated more quickly and more precisely. For his CRISBREED project, he received an Advanced Grant of the European Research Council (ERC) in the amount of EUR 2.5 million. Holger Puchta is considered a pioneer of genome editing. He uses molecular scissors to specifically modify the DNA (deoxyribonucleic acid) that carries the genetic information in crops. With the help of this CRISPR/Cas technology, genes can be removed, inserted, or exchanged easily. CRISPR/Cas stands for a certain section on the DNA (CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) and an enzyme (Cas) that recognizes this section and cuts the DNA precisely at this point. Crops produced by genome editing do not contain any DNA, which is why they are not to be equated with classical genetically modified organisms.

First Exchange of Arms between Chromosomes

Within CRISBREED, researchers of the Chair for Molecular Biology and Biochemistry of KIT’s Botanical Institute headed by Professor Holger Puchta, in cooperation with Professor Andreas Houben from IPK, Gatersleben, have now achieved first decisive progress in using the molecular CRISPR/Cas scissors: For the first time, they have exchanged arms between chromosomes of the thale cress model plant (Arabidopsis thaliana) with the help of the Cas9 protein originating from the Staphylococcus aureus bacterium. “The genome consists of a certain number of chromosomes, on which the individual genes are arranged in fixed order,” Puchta explains. “So far, CRISPR/Cas has enabled modifications of single genes only. Now, we can modify and recombine entire chromosomes.” These novel chromosomes are then heritable.

The findings presented in Nature Plants promise to result in major advantages for crop cultivation: It is generally difficult to combine positive properties and eliminate negative properties at the same time, because the decisive genes often are arranged in very close proximity on the same chromosome and transmitted together. By the exchange of arms between chromosomes, these properties can now be separated. “We now have the possibility to specifically control the modification of chromosomes and to strengthen or loosen the links between properties,” Puchta explains. “This controlled restructuring of the genome will revolutionize future crop cultivation.”

Original Publication:

Natalja Beying, Carla Schmidt, Michael Pacher, Andreas Houben, and Holger Puchta: CRISPR/Cas9-mediated induction of heritable chromosomal translocations in Arabidopsis. Nature Plants, 2020. (DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-020-0663-x )

Abstract at https://www.nature.com/articles/s41477-020-0663-x 

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Arme zwischen Chromosomen mit molekularer Schere ausgetauscht

• CRISPR/Cas revolutioniert Pflanzenzüchtung über gezieltes Kombinieren von Eigenschaften
• Neue Technik zur Genomveränderung im Magazin Nature Plants vorgestellt
   

An der Modellpflanze Ackerschmalwand wurden mithilfe des Proteins Cas9 erstmals Chromosomen neu zusammengesetzt. (Abbildung: Angelina Schindele, KIT)

Wie ein feines chirurgisches Instrument arbeitet die molekulare Schere CRISPR/Cas, mit der sich genetische Informationen in Pflanzen verändern lassen. Forscherinnen und Forschern um Professor Holger Puchta am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es zusammen mit Professor Andreas Houben vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben nun erstmals gelungen, mit der CRISPR/Cas-Technologie nicht nur einzelne Gene auszutauschen, sondern ganze Chromosomen neu zusammenzusetzen. Dies ermöglicht, gewünschte Eigenschaften in Kulturpflanzen zu kombinieren. Über ihre Arbeit an der Modellpflanze Ackerschmalwand berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Plants (DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-020-0663-x ).

Seit Jahrtausenden machen sich die Menschen die Tatsache zunutze, dass sich das Erbgut von Lebewesen durch die Evolution verändert: Sie züchten Kulturpflanzen, die möglichst ertragreich, aromatisch sowie widerstandsfähig gegen Krankheiten, Schädlinge und extreme klimatische Bedingungen sein sollen. Dazu wählen sie traditionell Pflanzen mit verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften aus und kreuzen sie miteinander. Dieses Vorgehen ist allerdings langwierig; außerdem lässt es sich dabei nicht vermeiden, dass auch nachteilige Merkmale in die Pflanzen gelangen.

Wie sich Pflanzenzüchtung schneller und genauer betreiben lässt, erforscht der Molekularbiologe Professor Holger Puchta am KIT in seinem Projekt CRISBREED, für das er vom Europäischen Forschungsrat einen ERC Advanced Grant in Höhe von 2,5 Millionen Euro erhalten hat. Holger Puchta gilt als Pionier des Genome Editing. Er setzt molekulare Scheren ein, mit denen sich die DNA (Desoxyribonukleinsäure), der Träger der genetischen Information, in Pflanzen gezielt verändern lässt. Mit dieser CRISPR/Cas-Technologie ist es möglich, Gene einfach zu entfernen, einzufügen oder auszutauschen. Die Bezeichnung CRISPR/Cas steht für einen bestimmten Abschnitt auf der DNA (CRISPR steht kurz für engl. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) sowie ein Enzym (Cas), das diesen Abschnitt erkennt und die DNA genau dort schneidet. In den durch Genome Editing entstandenen Pflanzen findet sich letztlich keine fremde DNA; daher sind sie nicht mit klassisch gentechnisch veränderten Organismen gleichzusetzen.

Erstmals Arme zwischen Chromosomen ausgetauscht

In CRISBREED haben Forscherinnen und Forscher vom Lehrstuhl Molekularbiologie und Biochemie am Botanischen Institut des KIT unter Leitung von Professor Holger Puchta nun gemeinsam mit Professor Andreas Houben vom IPK in Gatersleben einen entscheidenden Fortschritt beim Einsatz der molekularen Schere CRISPR/Cas erzielt: Sie haben an der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) mithilfe des aus dem Bakterium Staphylococcus aureus stammenden Proteins Cas9 erstmals Arme, also Teile des Einzelstranges, zwischen Chromosomen ausgetauscht. „Das Genom besteht ja aus einer bestimmten Zahl von Chromosomen, auf denen in festgelegter Reihenfolge die einzelnen Gene angeordnet sind“, erklärt Puchta. „Bisher ließen sich mit CRISPR/Cas nur Veränderungen in einzelnen Genen erreichen. Nun können wir ganze Chromosomen verändern und neu zusammensetzen.“
Diese neuartigen Chromosomen werden wiederum normal vererbt.

Für die Pflanzenzüchtung versprechen die nun in der Zeitschrift Nature Plants vorgestellten Ergebnisse wesentliche Vorteile: Die positiven Eigenschaften zu kombinieren und zugleich die negativen zu eliminieren, ist grundsätzlich schwierig, weil die entscheidenden Gene häufig ganz nah beieinander auf demselben Chromosom liegen und zusammen vererbt werden. Durch den Austausch von Armen zwischen Chromosomen lassen sich die Eigenschaften nun trennen. „Wir haben nun die Möglichkeit, die Veränderung von Chromosomen gerichtet zu steuern und Verknüpfungen zwischen Merkmalen gezielt zu festigen oder aber zu lösen“, erläutert Puchta. „In Zukunft wird diese kontrollierte Umstrukturierung des Genoms die Pflanzenzüchtung revolutionieren.“

Originalpublikation:

Natalja Beying, Carla Schmidt, Michael Pacher, Andreas Houben, and Holger Puchta: CRISPR/Cas9-mediated induction of heritable chromosomal translocations in Arabidopsis. Nature Plants, 2020. (DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-020-0663-x )

Abstract unter https://www.nature.com/articles/s41477-020-0663-x 

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 24 400 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Website: http://www.kit.edu

Published: May 26, 2020