Risikobewertung gentechnisch veränderter Futtermittel und Lebensmittel
(am Beispiel von Bt-Mais)
Abschlussarbeit
Postgradualstudium Toxikologie der Universität Leipzig
Anja Laqua, Diplom-Lebensmittelchemikerin Leipzig, 20.01.2012
Meiner Familie
Durchgeführt in: Leipzig
Gutachter: Prof. Pablo Steinberg Zweitgutachter: PD Dr. Ralf Gerhard
Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis
I Danksagung ... I II Eigenständigkeitserklärung ... II III Abkürzungsverzeichnis ... III IV Abbildungsverzeichnis... VI V Tabellenverzeichnis ... VII
VI Kurze Zusammenfassung ... VIII
1 Einleitung ... 1
2 Einsatz von gentechnisch veränderten Organismen ... 3
2.1 Definition gentechnisch veränderter Organismen ... 3
2.2 Gesetzesgrundlage zur Erzeugung gentechnisch veränderter Pflanzen ... 3
3 Hybridpflanzen ... 5
4 Warum Grüne Gentechnik? ... 6
5 Substantielle Äquivalenz ... 8
6 Verfahren zur Erzeugung gentechnisch veränderter Organismen ... 9
6.1 Physikalische Methoden zur Herstellung von GVOs ... 10
6.1.1 Mikroinjektion ... 10
6.1.2 Makroinjektion ... 11
6.1.3 Partikel-Bombardement ... 11
6.1.4 Elektroporation ... 12
7 Agrobacterium tumefaciens ... 13
7.1 Agrobacterium tumefaciens in der Umwelt ... 13
7.2 Agrobacterium tumefaciens in der Gentechnik ... 16
8 Bacillus thuringiensis ... 19
8.1 Bacillus thuringiensis in der Umwelt ... 19
8.2 Bacillus thuringiensis in der Gentechnik ... 22
9 Zea mays ... 24
9.1 Bt-Mais ... 25
Inhaltsverzeichnis II
10 Übertragungswege von GVOs ... 27
10.1 Horizontaler Gentransfer ... 27
10.2 Vertikaler Gentransfer ... 29
11 Stabilität gentechnisch veränderter DNS ... 29
12 Risikobewertung gentechnisch veränderter Lebens- und Futtermittel ... 32
12.1 Risikobewertung von gentechnisch modifizierten Produkten mit Bacillus thuringiensis ... 32
12.2 Risikobewertung der Antibiotikaresistenz von GVO-Pflanzen ... 40
12.3 Allergisches Potential von GVOs ... 48
12.4 Alternativen zur Verwendung von Markergenen ... 50
13 Zusammenfassung ... 52
VII Literaturverzeichnis ... 54
Danksagung I I Danksagung
Zunächst möchte ich Herrn Prof. Pablo Steinberg danken, dass er sich dafür bereit erklärt hat, mir ein Thema für die Abschlussarbeit des Studienganges Toxikologie und Umweltschutz auszugeben. Ich danke ihm auch dafür, dass er mir stets schnell und kompetent meine Fragen beantwortet hat. Als ich diese Belegarbeit begann, hat er mir interessante Artikel und Infor- mationsmaterial zugeschickt.
Für die Möglichkeit der Durchführung der Arbeit und der Begutachtung selbiger möchte ich Herrn Dr. Gerhard danken.
Auch möchte Prof. Gerrit Schüürmann und Dr. Albrecht Paschke danken, dass sie es mir er- möglichten, diesen PGS während meiner Promotion zu besuchen.
Einen besonderen Dank möchte ich an dieser Stelle auch den Mitarbeitern von Helmholtz Interdisciplinary GRADuate School for Environmental research" (HIGRADE) des UFZ Leipzig widmen. Ohne ihre große finanzielle Hilfe wäre es für mich finanziell eine große Herausforderung geworden, diesen Studiengang wunschgemäß und zeitnah abzuschließen.
In diesem Zusammenhang möchte ich auch Frau Graefe vom PGS einen besonderen Dank aussprechen. Sie hatte stets ein offenes Ohr und Geduld für mich und meine vielen Fragen.
Aber an dieser Stelle soll natürlich nicht meine Familie vergessen werden. Sie hat sich die letzten zweieinhalb Jahre sehr sehr geduldig gezeigt, wenn ich mal wieder am Wochenende den Hefter oder die Artikel rausgeholt habe. Das rechne ich allen hoch an. Gleiche Anerken- nung gilt meinen Freunden Eileen Boljahn, Stefanie Stöckl, Stefanie Finsterbusch, Steven Naumann, Kathleen Eismann und Roman Gunold.
Meiner Mama Gabriele Laqua, meiner Schwester Katja Laqua, meinem Freund Christian Pluntke und Rebecca Hiltrop möchte ebenso gesondert für ihr Korrekturlesen danken und für ihre unheimliche Geduld mit mir, wenn ich mal wieder dachte, dass ich den Boden unter den Füßen verlieren würde. Rebecca Hiltrop möchte weiterhin dafür danken, dass sie für mich stets ein offenes Ohr für Diskussionen und Anregungen hatte.
Eigenständigkeitserklärung II II Eigenständigkeitserklärung
Hiermit versichere ich, dass die vorliegende Belegarbeit selbständig und nur unter Verwen- dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt wurde.
_________________
Anja Laqua Leipzig, 20.01.2012
Abkürzungsverzeichnis III III Abkürzungsverzeichnis
Abs. Absatz
ATP Adenosintriphosphat
AS Acetosyringon
bp Basenpaare
bzw. beziehungsweise
Bt Bacillus thuringiensis
BVL Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit
C Kohlenstoff
°C Grad Celsius
CaMV Blumenkohl Mosaik Virus
(cauliflower mosaic virus)
Cry Kristall
(crystal)
Cyt cytolytisch
2-DOG 2-Desoxyglucose
DNS Desoxyribonukleinsäure
DDT Dichlordiphenyltrichlorethan
E. coli Escherichia coli
EG Europäische Gemeinschaft
EFSA Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit ELISA Antikörperbasiertes Nachweisverfahren
(Enzyme Linked Immunosorbent Assay)
etc et cetera
EPA United States Environmental Protection Agency
EU Europäische Union
FDA U.S. Federal Drug Administration GenTG Gentechnikgesetz
g Gramm
GIT Gastrointestinaltrakt
GVO gentechnisch veränderte Organismen GVP gentechnisch veränderte Pflanze
Abkürzungsverzeichnis IV h Stunde
ICP insektiziden Kristallproteinen
(insecticidal crystalline proteins)
kDa Kilodalton
kg Kilogramm
KG Körpergewicht
km Kilometer
LB left border
m Meter
mg Milligramm
µg Mikrogramm
µm Mikrometer
MON Monsanto
NLS Nukleuslokalisationssignale
NPT II Neomycin-Phosphotransferase II NOEL No observed effect level
Nr. Nummer
§ Paragraph
pH potentia Hydrogenii
% Prozent
ppm parts per million
RB right border
RNS Ribonukleinsäure
S Svedberg
sog. sogenannte
subsp. subspecies
T-DNS transferierte DNS
TEM Thomas Edison Murphy
Ti tumorinduzierend
tRNA Transfer-Ribonukleinsäure
rRNA ribosomale Ribonukleinsäure
u. a. unter anderem
U.S. United States
tetA-Gen TetrazyklinA-Gen
Abkürzungsverzeichnis V
vir virulenz
VIP vegetative insektizide Proteine (vegetative insecticidal proteins)
WHO Weltgesundheitsorganisation
z. B. zum Beispiel
Abbildungsverzeichnis VI IV Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Beispielaufbau einer Mikroinjektion ... 11
Abbildung 2 Beispielaufbau eines Partikel-Bombardements ... 12
Abbildung 3 Infektion einer Pflanze mit Agrobacterium tumefaciens I ... 14
Abbildung 4 Infektion einer Pflanze mit Agrobacterium tumefaciens II ... 16
Abbildung 5 Transformation einer Pflanzenzelle ... 17
Abbildung 6 Wirkmechanismus der Kristallproteine von Bacillus thuringiensis ... 20
Abbildung 7 Rezeptorbindung der Kristallproteine von Bacillus thuringiensis ... 21
Abbildung 8 Mechanismen des horizontalen Gentransfers bei Bakterien. ... 29
Abbildung 9 Verbreitung von Bakterien und bakterieller Gene in der Umwelt. ... 30
Abbildung 10 Strukturen von Neomycin und Kanamycin ... 41
Abbildung 11 Struktur von Ampicillin ... 42
Tabellenverzeichnis VII V Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Säugetiertoxizität von Bacillus thuringiensis Cry Proteinen aus gentechnisch verändertem Getreide ... 36
Kurze Zusammenfassung VIII VI Kurze Zusammenfassung
Ziel dieser Arbeit war es, eine Risikobewertung gentechnisch veränderter Futter- und Lebensmittel am Beispiel von Bt-Mais vorzunehmen. Im zunehmenden Maße steigt die Ver- wendung gentechnisch veränderter Pflanzen als Lebens- und Futtermittel. Mit Hilfe der Grünen Gentechnik kann das genetische Material von Pflanzen so verändert werden, dass die Pflanzen zum Beispiel ertragsreicher und widerstandsfähiger werden. Beim Bt-Mais wird mit Hilfe des Bacillus thuringiensis das Genmaterial der Maispflanze verändert, um sie vor dem schädlichen Maiswurzelbohrer und Maiszünsler zu schützen. Bisher konnten für den Bt-Mais durch die EFSA, EPA und WHO keine toxikologischen Bedenken hinsichtlich einer uner- wünschten Übertragung durch horizontalen Gentransfer oder eines allergieauslösenden Po- tentials durch Bt-Mais ausgesprochen werden. Dahingegen soll der Einsatz von Antibiotikaresistenzmarkern nach dem GenTG verringert werden.
Einleitung 1 1 Einleitung
Seit der ersten Einführung von gentechnisch veränderten Organismen (GVOs) sind diese je- her Streitpunkt hinsichtlich ihrer Sicherheit als Lebens- oder Futtermittel. Diese Debatte über die gezielte Veränderung des natürlichen Genmaterials von Nutzpflanzen war bereits in den 90er Jahren von großer Bedeutung, als die ersten genetisch veränderten Sojapflanzen nach Europa importiert wurden. 1994 wiederum wurde in den Vereinigten Staaten die sog. „Anti- Matsch-Tomate“ der Firma Calgene Inc. auf den Markt gebracht [1]. Mit der Einführung dieser Flavr-Savr-TomateTM und des Imports gentechnisch veränderter Sojapflanzen nach Europa begann auch eine anhaltende Debatte über den Sinn und Nutzen der Grünen Gentechnik. Gleiches gilt für die Verwendung von gentechnisch verändertem Mais mit Hilfe des Bacillus thuringiensis (Bt-Mais). Bei diesem Streit geht es längst nicht nur um die Anwendung der Gentechnik für die Herstellung von Lebens- und Futtermitteln. Vielmehr sind bereits die ökologischen und wirtschaftlichen Ausmaße der Einführung neuer gentechnisch veränderter Pflanzen (GVPs) als Nutzpflanzen von Bedeutung. Auch wenn die „Anti-Matsch- Tomate“ von der U.S. Federal Drug Administration (FDA) als unbedenklich eingestuft wurde, sind die Verbraucher fortan skeptisch bei der Verwendung gentechnisch hergestellter Pro- dukte. Noch immer ist die Tragweite der Toxizität der transgenen Pflanzen, die Rate der Übertragbarkeit der DNS-Segmente auf natürliche Nutzpflanzen sowie das Maß der Resistenzentwicklung bei eingesetzten Antibiotikagenen unbekannt. Diese Bedenken veranlassen wiederum den Verbraucher zum Zögern. Er weiß nicht, wie das Ausmaß der toxikologischen Wirkung dieser modifizierten Pflanzen in einigen Jahren sein wird. Längst reicht die Einordnung, Zulassung und Kennzeichnung von GVOs nur anhand der Substantiellen Äquivalenz nicht mehr aus. Das Ziel der Substantiellen Äquivalenz ist die Gewährleistung, dass das Produkt, das im Labor nach den Wünschen der Wissenschaftler verändert wurde, genauso sicher und unbedenklich ist, wie das natürliche Produkt. In Deutschland und der Europäischen Union werden gentechnisch veränderte Produkte erst dann zugelassen, wenn sie zusätzlich einer Risikobewertung unterzogen wurden. Mit Hilfe der Verordnung (EG) Nr. 1829/2003 werden die Verfahren der Bewertung und Zulassung der GVO-Produkte geregelt [2]. Hierbei spielt vor allem die wissenschaftliche Beratungskompetenz der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) eine ent- scheidende Rolle. Sie ist wiederum für die unabhängige Bewertung zuständig, inwieweit die untersuchten GVOs bedenklich für die Umwelt, den Menschen und den Tieren sein können.
Einleitung 2 Ihr Handlungsbereich beschränkt sich auf die Vorgaben, die in der Verordnung (EG) Nr. 1829/2003 sowie der Richtlinie 2001/18/EG festgelegt sind [2], [3].
In Bezug auf die Sicherheitsbewertung, unter Betrachtung der genannten Punkte, gibt es bisher noch immer keine einheitliche wissenschaftliche Übereinstimmung. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit, eine Risikobewertung von gentechnisch veränderten Lebens- und Futtermitteln vorzunehmen. Es sollen das Für und Wider der Grünen Gentechnik genauer betrachtet werden und die Problemstellungen näher erläutert werden, die u. a. die Stabilität freier genmodifizierter DNS-Sequenzen und der Allergieauslösung betreffen.
Des Weiteren soll geklärt werden, wie die Übertragungswege gentechnisch veränderter Pflanzen über die Artgrenzen hinaus möglich ist und die Sicherheit des Menschen, der Tiere und der Umwelt gegenüber Antibiotikaresistenzgenen soll näher geklärt und wenn möglich beantwortet werden.
Einsatz von gentechnisch veränderten Organismen 3 2 Einsatz von gentechnisch veränderten Organismen
2.1 Definition gentechnisch veränderter Organismen
Zum Schutz des Menschen, der Tiere und der Umwelt vor den Konsequenzen einer Ausset- zung gegenüber gentechnisch veränderten Produkten, trat 1990 das Gentechnikgesetz (GenTG) in Deutschland in Kraft [4]. Im Sinne des GenTG muss ein Organismus als
„gentechnisch veränderter Organismus“ (GVO) bezeichnet und deklariert werden, wenn er sich vermehren und gleichzeitig genetisches Material weitergeben kann und in einer Art ver- ändert wurde, wie es nicht durch natürliche Befruchtungen, wie Kreuzung oder Rekombina- tion, möglich wäre. Die Verfahren zur Herstellung der GVPs werden in dieser Arbeit im Ab- schnitt 6 näher erklärt. Über das Gentechnikgesetz wird aber nicht die Verwendung von gen- technisch veränderten Organismen oder gentechnische Methoden am Menschen geregelt [4].
2.2 Gesetzesgrundlage zur Erzeugung gentechnisch veränderter Pflanzen
Das deutsche Gesetz zur Gentechnik bezieht sich maßgeblich auf die Verordnung (EG) Nr. 1829/2003 für die Sicherheitsbewertung und Zulassung sowie auf die Richtlinie 2001/18/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 12. März 2001 [2], [3].
2001 trat für die gesetzliche Regelung der absichtlichen Freisetzung und des Inverkehrbringens von transgenen Produkten die Richtlinie 2001/18/EG vom 12. März 2001 in Kraft [3], [4].
Die europäische Verordnung ist in den Bundesländern direkt durchsetzungspflichtig. Die Richtlinie wiederum verpflichtet die Bundesregierung zum Handeln, da sie einen bindenden Charakter hat. Das bedeutet, dass die Inhalte der Richtlinie von den europäischen Mitglieds- staaten verpflichtend umgesetzt werden müssen. Die Wahl der Mittel für diese Umsetzung ist jedoch dem jeweiligen Mitgliedsstaat, auch Deutschland, überlassen. Diese Umsetzung in das nationale Recht realisierte Deutschland mit dem GenTG. Im GenTG ist auch geregelt, dass jeder Unternehmer, der das Ziel hat, gentechnisch veränderte Produkte zu produzieren, zu verwenden oder der Verfahren für eine Herstellung von GVP anzuwenden, verpflichtet ist, eine umfassende Sicherheitsbewertung des entsprechenden Produktes durchzuführen und die GVPs anzuzeigen.
Nur dann ist es in Deutschland und in der Europäischen Union erlaubt, dieses Produkt auf den Markt einzuführen.
Einsatz von gentechnisch veränderten Organismen 4 Zulassungen für gentechnisch veränderte Produkte werden in Deutschland für einen Zeitraum von zehn Jahren erteilt. Über diesen Zeitraum hinaus ist eine neue, wiederholte Sicherheitsbewertung des Produktes maßgeblich und Pflicht. Durch die gentechnische Veränderung von Organismen ist es möglich, Lebens- und Futtermittel hinsichtlich be- stimmter Eigenschaften, in ihrer Qualität und auch Quantität zu beeinflussen [5]. Im Bereich der gentechnisch veränderten Nahrungs- und Futtermittel werden Produkte als solche be- zeichnet, die als Ganzes oder aus Teilen aus einem GVO bestehen [5]. Weiterhin können gen- technisch veränderte Nahrungs- und Futtermittel in einem Produkt oder während der Produk- tion als Ausgangsstoff eingesetzt werden. Produkte, die mit einem GVO hergestellt wurden, werden im GenTG und der Verordnung nicht geregelt.
Zusätzlich sind geeignete Maßnahmen (z. B. die Verwendung von geschlossen Gefäßen für die Lagerung der GVOs) zu treffen, damit eine unbeabsichtigte Freisetzung bzw. ein Transfer auf unbehandelte Felder nicht stattfinden kann. Es muss gewährleistet werden, dass bei einer Ausbringung von GVOs auf ein Feld kein Schaden für den Nachbaracker eintritt und eine Koexistenz möglich ist. Hierzu sind ebenfalls die genannten Risikobewertungen anzuwenden.
Bezogen auf die derzeitige Gesetzeslage in Deutschland, ist es bei der Einführung eines Pro- duktes (auch bei Bt-Mais), das aus gentechnisch veränderten Organismen besteht, diese ent- hält oder aus ihnen hergestellt wird, die Pflicht des Produzenten diese Produkte zu kennzeich- nen [4]. Diese Kennzeichnungspflicht bezieht sich auch auf Lebens- und Futtermittel und Saatgut, die aus GVO bestehen und einen Schwellenwert von 0,9 % überschreiten. Der Schwellenwert gilt ebenso für die Einträge von Pollen, Früchten oder Getreidekörnern vom GVO-Acker auf das Nachbarfeld. Das Nachbarfeld selbst wird in dieser Definition nicht mit GVOs bewirtschaftet, sondern durch konventionellen oder ökologischen Anbau betrieben. Ist der Schwellenwert von 0,9 % durch Einträge vom GVO-Acker auf dem Nachbarfeld über- schritten, so müssen auch die Produkte des Nachbarfeldes so gekennzeichnet werden, dass sie gentechnisch veränderte Organismen enthalten. Nachträglich trat aufgrund des § 16b Abs. 6 des deutschen Gentechnikgesetzes die Verordnung über die gute fachliche Praxis bei der Er- zeugung von gentechnisch veränderten Pflanzen in Kraft. In dieser Verordnung ist festgelegt, dass speziell für gentechnisch veränderten Mais Mindestabstände zwischen einem GVO- Acker und Feldern mit konventionellem oder ökologischem Anbau einzuhalten sind. Der Er- zeuger von gentechnisch verändertem Mais ist in Deutschland verpflichtet, zwischen seinem GVO-Acker und dem Nachbarfeld einen Abstand von mindestens 150 m einzuhalten.
Die 150 m dürfen nicht überschritten werden, wenn der Nachbaracker konventionelles Ge- treide oder Mais anbaut.
Hybridpflanzen 5 300 m Mindestabstand zum Nachbarfeld sind Pflicht, wenn auf der benachbarten Fläche
ökologisches Getreide bzw. nicht gentechnisch veränderter Mais angebaut wird [6]. Sind dahingegen nur zufällige Mengen bzw. technisch nicht vermeidbare Gehalte im jeweiligen Lebens- oder Futtermittel enthalten, so können diese Produkte von der Kennzeichnungspflicht ausgeschlossen werden. Allerdings müssen hier die Unternehmen nachweisen, dass sie alle notwendigen Schritte unternommen haben, um diese Verunreinigung mit den GVOs zu vermeiden. Wird der Schwellenwert laut Gesetzgebung unterschritten, so ist keine Kennzeichnung im Sinne des Gentechnikgesetzes nötig.
3 Hybridpflanzen
Die ersten Ansätze für die Erzeugung von Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften lag in der Entwicklung von Hybridpflanzen. Bei diesen Pflanzen werden zwei unterschiedliche, sen- sible, jedoch fast genetisch gleiche Linien derart miteinander gekreuzt, dass eine männliche Sterilität erreicht wird. Die Hybridpflanze bildet keine Pollen mehr und ist daher männlich steril. Für die Herstellung von Hybridpflanzen werden zwei Linien miteinander gekreuzt, die unterschiedlich erwünschte Eigenschaften aufweisen, die in eine Pflanze zusammengeführt werden sollen. Die eine Pflanze kann beispielsweise klein, aber widerstandsfähig gegen schlechte Witterungsverhältnisse sein und die andere Pflanze kann groß und ertragsreich, da- hingegen aber weniger robust sein. Ziel ist es, durch Kreuzung, die gewünschten Merkmale von einer Pflanze auf die andere zu übertragen. Folglich können so größere, ertragsreichere und robustere Pflanzen gezüchtet werden. Eine erfolgreiche Umsetzung dieser Technik konnte bisher auch bei der Kultivierung von Maispflanzen eingesetzt werden [7]. Weltweit werden u. a. Hybridmaislinien für die Gewinnung von Biogas eingesetzt.
Dennoch wirkt sich diese Art der Modifizierung der konventionellen Pflanzen nachteilig auf die Folgegenerationen aus. Aufgrund der männlichen Sterilität ist keine weitere Züchtung dieser ersten Generation möglich. Eine zweite Generation aus der ersten gentechnisch verän- derten Generation wäre weniger ertragsreich und anfälliger als die erste.
Daher müssen jedes Jahr neue Hybridpflanzen ausgebracht werden. Aufgrund dessen ist der Landwirt jedes Jahr erneut verpflichtet, neues Saatgut für eine Feldbestellung zu kaufen.
Im Hinblick auf die Nachteile der Hybridpflanzen wurde sich vermehrt auf die Produktion von GVPs konzentriert.
Warum Grüne Gentechnik? 6 Gentechnisch veränderte Pflanzen sind nicht männlich steril und produzieren die gewünschten Eigenschaften kontinuierlich in jedem Pflanzengewebe. Hybridpflanzen zählen daher nicht zu den GVPs. Im Gegensatz zu gentechnisch veränderten Pflanzen, bei denen gezielt einzelne Gensequenzen verändert werden, können bei der Kreuzung lediglich ganze Genabschnitte der Elternpflanzen auf die gewünschte nächste Generation übertragen werden. Limitierend für die Hybridpflanzen kommt hinzu, dass erstrebte Merkmale bzw. Gensequenzen nur innerhalb einer Art übertragen werden können. Es ist folglich kein gezielter Gentransfer über die Artgrenzen hinaus möglich. Hybridpflanzen können so nicht mit bakteriellen Gen- Abschnitten modifiziert werden, ohne dass mit Hilfe der Gentechnik in das Genom der Pflanze eingegriffen wird. Das bedeutet, dass beispielhaft eine Maispflanze von Natur aus die Eigenschaft haben müsste, gegen eine gewisse Klasse an Herbiziden resistent zu sein. Diese Fähigkeiten könnten dann, theoretisch, auf weitere Linien an Maissorten durch Kreuzung übertragen werden [8]. Die neue Hybridpflanze hätte diese Eigenschaften in das eigene Genom eingebaut und wäre herbizidresistent. Bisher ist aber eine herbizidresistente Fähigkeit bei natürlichen Maissorten nicht bekannt. Um die Möglichkeit des gezielten Gentransfers von einzelnen Genen oder Genabschnitten zu gewährleisten, gleichzeitig die Fortpflanzungsfähigkeiten der Pflanzen beizubehalten, stieg in den 90er Jahren das Interesse für den Einsatz der Grünen Gentechnik.
4 Warum Grüne Gentechnik?
Die eben dargestellten Hybridpflanzen sind robuster und ertragsreicher, dennoch kann aus den Hybridpflanzen für das Folgejahr kein neues, fruchtbares Saatgut gewonnen werden. Diese Eigenschaft spricht gegen eine dauerhafte Verwendung der Hybridpflanzen. Verglichen zu den Hybridpflanzen kann bei einem konventionellen Ackerbau aus der Ernte des Getreides vom Vorjahr Saatgut gewonnen werden, mit dem das Feld für das Folgejahr bestellt wird.
Aber dieses Getreide, welches weder gentechnisch verändert wurde, noch einer Generation einer Hybridpflanze entspricht, ist immer anfällig gegenüber Insektenfraß, geringeren Ernte- erträgen, oder es kommt sogar zu Ernteausfällen (bedingt auch durch schlechte Witterungs- verhältnisse). Schon 2003 wurde von BOUIS et al. zusammengefasst, dass die Bevölkerung in den Industrieländern, wie Europa und Nordamerika, mehr als 10 % ihres Einkommens nur für Nahrungsmittel ausgeben [9].
Warum Grüne Gentechnik? 7 Im Vergleich dazu, geben die Menschen in den Entwicklungsländern nahezu ihr ganzes Gehalt für Essen aus. Aber die Versorgung der Bevölkerung in den Entwicklungsländern mit Nahrung ist noch immer ein großes Problem. Neben dem Mangel an sauberem Wasser und Viehfutter, ist auch die Versorgung der Menschen und Tiere mit ausreichend Fleisch und Getreide schwierig. Vor allem Kinder, ältere Menschen und schwangere Frauen leiden häufiger unter Vitaminmangel, zu geringer Energiezufuhr und am Defizit von Spurenelementen. Hier kann die Grüne Gentechnik eine entscheidende Rolle spielen. Bei der Grünen Gentechnik werden neue gentechnische Verfahren mit denen der konventionellen Pflanzenzüchtung kombiniert, um neue Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften herzustellen.
Dabei wird das Erbgut der Nutzpflanzen gezielt durch gentechnischen Eingriff verändert. So konnten z. B. auch Raps- und Sojapflanzen derart verändert werden, dass der Anteil an gesättigten Fettsäuren verringert wurde. Diese können bei zu hoher Zufuhr zu Adipositas bis hin zur Arteriosklerose führen. Bei einer Tomatensorte, die Flavr-Savr-TomateTM, wurde ein Enzym gentechnisch soweit verändert, dass die Tomate langsamer reifte und länger frisch blieb. Eine längere Lagerung und Transportwege stellten daher kein Problem mehr dar und die Gewinnspanne der Unternehmen stieg [10].
Ebenso können Pflanzen so verändert werden, dass sie widerstandsfähiger gegenüber hohen Salzgehalten im Boden oder während Trockenperioden sind. Einen weiteren bedeutenden Schritt in der Gentechnikanwendung bei Lebensmitteln stellt die Entwicklung des „Golden Rice“ dar. Hier wurde für eine Verbesserung der Zufuhr an β-Carotin der Gehalt dieser Vor- stufe des Vitamin A im Reis gezielt gentechnisch erhöht.
Die Herstellung von robustem, insektenresistentem Mais, stellt ebenso eine große Alternative gegenüber dem Einsatz von z. B. DDT als Pflanzenschutzmittel dar (siehe hierfür Ab- schnitt 8.2). Mais, welcher mit dem Bakterium Bacillus thuringiensis verändert wurde, ist gegen verschiedene Schmetterlingsarten geschützt.
Substantielle Äquivalenz 8 5 Substantielle Äquivalenz
Der Beginn der ersten Versuche mit gentechnisch verändertem Material erfolgte 1987, wobei die bedeutendste Epoche in der Europäischen Union mit dem ersten Import von Sojabohnen 1996 eingeleitet wurde. Seither ist die Verwendung von genmanipulierten Organismen nicht nur unter Wissenschaftlern, sondern auch in der breiten Öffentlichkeit in der Diskussion und umstritten. Die Angst der Bevölkerung hinsichtlich der GVPs beruht vor allem auf der Un- kenntnis über mögliche Folgen, die nach dem Verzehr oder auch der Verwendung von GVOs eintreten könnten. Diese Bedenken beziehen sich unter anderem auf die Folgen von neuen, unbekannten, giftigen Wirkungen, die durch Fehlfunktionen von eingeschleusten Proteinen und Enzymen im Genom der GVOs ausgelöst werden. Es wird auch befürchtet, dass es beim Menschen oder den Tieren zu Resistenzen gegenüber Antibiotika kommen kann. Antibiotika- resistenzen werden in die GVOs eingebaut, um die gentechnisch veränderten Pflanzen von denen unterscheiden zu können, die nicht gentechnisch modifiziert wurden.
Aufgrund dieser Unsicherheit der Bevölkerung gegenüber GVOs und der möglichen Gefah- ren, die von den GVOs ausgehen könnten, wurde für eine Risikoabschätzung von Nahrungs- und Futtermitteln die Substantielle Äquivalenz eingeführt [8], [11]. Das Ziel hierbei ist die Gewährleistung, dass das Produkt, das im Labor nach den Wünschen der Wissenschaftler ver- ändert wurde, genauso sicher und unbedenklich ist, wie das natürliche, konventionelle Pro- dukt. Es kann demnach auch als Prinzip der Gleichwertigkeit bezeichnet werden. Das gen- technisch veränderte Produkt soll durch einen Vergleich der Eigenschaften und der Inhalts- stoffe mit den natürlichen Produkten auf seine Sicherheit hin geprüft werden [11]. Bei der Einführung neuer Produkte mit gentechnischem Hintergrund soll mit Hilfe der Substantiellen Äquivalenz geprüft werden, inwieweit von dem GVO unerwünschte toxikologisch relevante Gefahren ausgehen könnten, die von einem konventionellen Produkt der gleichen Art nicht möglich sind. Wie z. B. verhält sich nach der Expression ein neu eingebrachtes Enzym, das im natürlichen Produkt nicht vorkommen würde, unter anderen gegebenen Bedingungen? Kann es z. B. zu Überexpressionen des Enzyms kommen. Oder kann es zur Inaktivierung wichtiger Stoffwechselvorgänge durch das Enzym kommen? Geht das gentechnische Produkt womög- lich dadurch kaputt? Welche Eigenschaften hatte das Enzym im eigentlichen Ursprungsorga- nismus? Sind diese toxikologisch bedenklich? Neben diesen erwähnten Aspekten kommt er- schwerend eine potentielle Gefahr der Allergieauslösung durch das Produkt hinzu. Daher ist es ebenso wichtig zu wissen, wie das eingebrachte Produkt in seiner molekularen Struktur aufgebaut ist.
Verfahren zur Erzeugung gentechnisch veränderter Organismen 9 Als letzten Schritt in der Prüfung auf Gleichwertigkeit sollen die Eigenschaften des GVOs unter realen Feldversuchen und gleichen Witterungsverhältnissen untersucht werden. Hierzu wird das GVO auf dem Acker ausgebracht, wie das natürliche Produkt. Es soll im Feldver- such geprüft werden, ob das neue Produkt ähnlich stabil ist. Ziel ist immer die gesundheitliche Unbedenklichkeit der produzierten genmodifizierten Erzeugnisse. Nichtsdestotrotz gilt für die Zulassung von gentechnisch veränderten Organismen nicht nur die Einhaltung der Substantiellen Äquivalenz, als vielmehr, dass die neuen Produkte einer toxikologischen Risi- kobewertung unterliegen müssen und ab einem Schwellenwert von 0,9 % gekennzeichnet werden [1], [4].
Doch bevor in dieser Arbeit über die möglichen Risiken, die von den GVOs ausgehen kön- nen, gesprochen wird, soll zunächst geklärt werden, welche GVOs es gibt und wie sie groß- technisch hergestellt werden können.
6 Verfahren zur Erzeugung gentechnisch veränderter Organismen
Von jeher werden Pflanzen und Tiere für die Produktion von Lebens- und Futtermitteln ein- gesetzt [3]. Ziel der Grünen Gentechnik ist es u. a. die Weltbevölkerung mit Hilfe der Vieh- zucht und des Ackerbaus mit Nahrung ausreichend zu versorgen. Ökonomisch betrachtet, möchten auch Unternehmen unter der Verwendung von GVOs ihre Gewinnspannen erhöhen, indem sie widerstandsfähigere Pflanzen produzieren.
In der konventionellen Pflanzenzüchtung spielen die Prozesse der polyploiden Befruchtung, der natürlichen Konjugation, der Transduktion und der Transformation eine entscheidende Rolle. Die Arbeitsweisen werden im Abschnitt 10.1 näher erklärt. Für die Herstellung von gentechnisch veränderten Organismen finden bevorzugt die Methoden der DNS-Rekombina- tion, der Mikroinjektion, Elektroporation und des Partikel-Bombardements Anwendung.
Diese biotechnologische Verfahren werden in der Grünen Gentechnik verwendet, um neue Produkte mit gewünschten Eigenschaften herzustellen (Abschnitt 4). Hier wird auf die Inser- tion von fremder DNS in das Pflanzengewebe zurückgegriffen. Das fremde, erwünschte Genmaterial wird z. B. in bakterielle Plasmide eingebaut, vervielfältigt und anschließend in den Wirtsorganismus eingebracht.
Verfahren zur Erzeugung gentechnisch veränderter Organismen 10 Eine weitere Methodik stellt die direkte Einführung der fremden Gensequenz in einen Orga- nismus dar. Die gewünschte DNS wird außerhalb des Organismus gezielt verändert und an- schließend eingebracht, ohne die Verwendung von Plasmiden.
6.1 Physikalische Methoden zur Herstellung von GVOs
Die Möglichkeiten eines physikalischen Gentransfers soll in diesem Abschnitt an vier Metho- den kurz wiedergegeben werden.
6.1.1 Mikroinjektion
Die Mikroinjektion wurde ursprünglich verwendet, um tierische Zellen unter dem Mikroskop gentechnisch zu verändern. Da sich diese Art des Gentransfers als effizient herausgestellt hat, wurde die Mikroinjektion ebenso für die Transformation von Pflanzenzellen eingeführt (Abbildung 1). Mit einer speziellen Glaskapillare, werden der Protoplast, welcher u. a. die gewünschte DNS im Inneren beinhaltet, in eine tierische oder pflanzliche Zelle injiziert [10], [12]. Im Falle von Mais trägt der Protoplast die DNS für die Proteine des Bakteriums Bacillus thuringiensis im Inneren. Meistens wird zusätzlich zur transferierenden DNS auch ein Farbstoff (oft ein Fluoreszenzfarbstoff) für die spätere Erkennung der Integration der DNS in das Genom der Pflanze injiziert. Die Fluoreszenzfarbstoffanwendung könnte wiederum eine Alternative zur Verwendung von Antibiotikaresistenzgenen als Markergene darstellen.
Dennoch ist es bisher nachteilig, dass diese Art des Gentransfers zum Teil zum Zusammen- bruch des Innendruckes in der Pflanzenzelle führt. Aufgrund dessen findet diese Methodik bevorzugt im tierischen Gentransfer Anwendung und wird derzeit im kleinen Rahmen bei der Modifizierung von Pflanzen eingesetzt.
Verfahren zur Erzeugung gentechnisch veränderter Organismen 11
Abbildung 1 Beispielaufbau einer Mikroinjektion
Dargestellt ist die Mikroinjektion als ein Beispiel einer physikalischen Methode zur
Herstellung von GVOs. Bei dieser Mikroinjektion wird eine kleine Glaskapillare verwendet, um die DNS in das gewünschte zu verändernde Gewebe einzubringen [13].
6.1.2 Makroinjektion
Im Gegensatz zur Mikroinjektion werden bei der Makroinjektion größere Kapillaren verwen- det. Hier ist der Durchmesser der Nadel weitaus größer als die Zelle [12]. Die DNS wird an den Rand einer Zelle injiziert. Der DNS-Transfer erfolgt anschließend über die Zellwand und das Zellplasma bis hin zum Genom der Pflanzenzelle, wobei mit einem DNS-Verlust über die Wegstrecke gerechnet werden muss. Durch den unerwünschten Verlust von DNS innerhalb des Transportweges ist die Mikroinjektion der Makroinjektion vorzuziehen, auch wenn die Technik der Mikroinjektion weiterhin einer Verbesserung bedarf.
6.1.3 Partikel-Bombardement
Bei der Anwendung des Partikel-Bombardements (auch Biolistik) werden kleine Mikropro- jektile verwendet, um RNS oder DNS direkt in die Zellen zu bringen. Hierbei werden haupt- sächlich Gold- oder Wolframkügelchen (0,2-2 µm Durchmesser) angewendet [10], [12]. Ziel ist es, externe Makromoleküle in eine Pflanze mit lebenden, funktionstüchtigen Zellen oder Gewebe zu integrieren. Die Goldpartikel werden mit den gewünschten DNS-Sequenzen be- stückt. Anschließend wird eine Partikelkanone mit diesen Goldpartikeln beladen. Mit Hilfe von Luftdruck oder elektrischer Entladung können die Goldkügelchen durch die Partikelkanone auf die Zielstelle der Pflanze oder direkt in das Genom der Pflanze geschossen werden (Abbildung 2). Die Pflanze kann so die RNS oder DNS in das Genom einbauen [14], [15].
Verfahren zur Erzeugung gentechnisch veränderter Organismen 12 Diese Art der Genveränderung hat sich in den letzten Jahren als sehr erfolgreich herausge- stellt.
Abbildung 2 Beispielaufbau eines Partikel-Bombardements
Dargestellt ist das Partikel-Bombardement als ein Beispiel einer physikalischen Methode zur Herstellung von GVOs. Bei diesem Partikel-Bombardement wird Helium für die Erzeugung der Druckwelle verwendet, um die DNS in das gewünschte zu verändernde Gewebe einzu- bringen. Die gewünschte DNS wird auf ein Mikropartikel aufgebracht und über Druck- wellen durch Druckluft in das Pflanzengewebe eingebracht [15].
6.1.4 Elektroporation
Bei der Elektroporation wird mit Hilfe von elektrischen Impulsen, DNS in die Zelle integriert.
In einer Lösung aus Pflanzengewebe oder Protoplasten (je nach Anwendungsbedarf) und der gewünschten einzubringenden DNS werden Hochspannungsimpulse eingebracht. An einem Kondensator kommt es zur elektrischen Entladung.
Dadurch wird eine Porenöffnung in den Plasmamembranen erreicht. Diese Porenöffnung ist jedoch nur kurz (Millisekunden), so dass nur gezielte Mengen an DNS eingeführt werden können.
Agrobacterium tumefaciens 13 Vorteilhaft ist diese Anwendung aufgrund der vielseitigen Zelltypen, die hierbei DNS auf- nehmen können. Anwendung findet es bei Pflanzengeweben, wie bei Tabak, oder bei der Transformation von Einkeimblättrigen, Monokotyledonen, wie Reis, Mais und Gerste. Auf- grund vielfältiger Verbesserungen ist es möglich, über die Elektroporation genetisches Mate- rial unter der Verwendung des Agrobacterium tumefaciens auf Monokotyledonen und Zwei- keimblättrige, die Dikotyledonen, einzubringen [10].
7 Agrobacterium tumefaciens
7.1 Agrobacterium tumefaciens in der Umwelt
Für die Anwendung der Grünen Gentechnik werden häufig die oben beschriebenen physikalischen Methoden sowie Bakterien eingesetzt. Die Bakterien entwickeln häufig zur Vermehrung ihrer eigenen Spezies Insektenresistenzen oder sind in der Lage, Pflanzen zu infizieren. Sie beinhalten häufig Plasmide, auf denen die zu transportierende DNS lokalisiert ist.
Eine Möglichkeit zur Herstellung transgener Pflanzen ist durch das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens gegeben. Auch wenn im Titel beschrieben ist, dass es um die Ri- sikobewertung von gentechnisch veränderten Lebens- und Futtermitteln am Beispiel von Bt- Mais geht, soll in diesem Beispiel kurz ein weiteres, für die Grüne Gentechnik bedeutendes Bakterium, genannt werden. Neben Bacillus thuringiensis wird das Bakterium ebenso häufig in der Grünen Gentechnik verwendet. Dieses gram-negative Bodenbakterium ist natürlicher- weise in der Lage, definierte Fragmente seiner eigenen DNS in das Genom von Dikotyledo- nen zu integrieren [16], [17]. Als Pflanzenpathogen kann es an einer Wundstelle der Pflanze, Teile seiner eigenen DNS in das Genom der Pflanze stabil integrieren und einen Wurzelhals- gallentumor auslösen [18]. Pflanzen, die mit dem Agrobacterium tumefaciens befallen sind, sind weniger ertragsreich, aufgrund von vermindertem Blattwachstum, gehemmter Entwick- lung und der größeren Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Diese natürlichen Ei- genschaften des Bakteriums sind in der Gentechnik von Nutzen.
In der Gentechnik wird das Agrobacterium tumefaciens genutzt, um Plasmide mit den jeweils gewünschten Gensequenzen (sei es Insektenresistenz oder Herbizidresistenz) in die neue Pflanze einzubauen.
Agrobacterium tumefaciens 14 Im Folgenden soll zunächst der natürliche Befall einer Pflanze mit Agrobacterium tumefaciens erläutert werden (Abbildung 3).
Abbildung 3 Infektion einer Pflanze mit Agrobacterium tumefaciens I
Dargestellt ist die natürliche Infektion einer Pflanze mit dem Bodenbakterium
Agrobacterium tumefaciens. Durch diese Infektion und dem Einbau der DNS des Bakteriums in das pflanzliche Genom kommt es zur Auslösung des Wurzelhalsgallentumors an einer Wundstelle der Pflanze [18]
Ausgelöst durch abgegebene Zucker- und Phenolverbindungen (z. B. Acetosyringon: AS) an der Wundstelle der Pflanze und bei optimalen sauren pH-Bedingungen, wird Agrobacterium tumefaciens chemotaktisch angelockt und induziert die Expression der Virulenzregion (vir) seiner DNS [16], [19], [20]. Bei der vir-Region handelt es sich um einen Abschnitt auf dem tumorinduzierenden Plasmid (Ti-Plasmid). Das Ti-Plasmid liegt extrachromosomal vor und ist circa 22000 bp groß.
Es trägt die erwähnten Virulenzgene, die T-DNS und die Gene für die Synthese der Amino- säuren Opine (Abbildung 4). Die Opine wiederum sind wichtig für den Bakterien- stoffwechsel [17], [20]. Proteine, die durch die Virulenz-Region codiert werden, regulieren
Agrobacterium tumefaciens 15 die Prozessierung und die Übertragung der transferierten DNS (T-DNS) vom Ti-Plasmid in das Pflanzengenom [21].
Die T-DNS wird begrenzt durch einen linken und rechten Bereich (RB− right border, LB−
left border) aus einem 25 bp großen, sich wiederholenden Sequenzabschnitt.
Die T-DNS wiederum stimuliert in der Pflanze die Produktion der Pflanzenhormone Auxin und Cytokinin [20], welche anschließend das Wachstum des Tumors stimulieren. Die für die Bildung der erwähnten Pflanzenhormone benötigten Gene sind ebenfalls auf der T-DNS lo- kalisiert, wobei die T-DNS als Einzelstrang in das Pflanzengenom eingebracht wird. Dieses Einbringen bewirkt die Aktivierung metabolischer Enzyme und es kommt zur Stimulation der Produktion der oben genannten Aminosäuren. Als Derivate der Aminosäure Arginin sind diese Opine lediglich für die Stoffwechselaktivität des Bakteriums als Stickstoff- und Kohlen- stoffquelle von Bedeutung sowie für die Induktion des Wurzelhalsgallentumors [22].
Die Erkennung der Zucker- und Phenolderivate durch Rezeptorkomplexe auf der transmemb- ranen Seite werden vom Bakterium durch die Virulenz-Region virA kodiert. Diese werden durch eine Phosphorylierung des virG aktiviert, um an regulatorische Regionen weiterer vir- Gene des Ti-Plasmides zu binden und diese zu exprimieren. Zum Bespiel ist das virD2 Gen in der Lage, als Endonuklease die T-DNS als Einzelstrang an der rechten und linken Begrenzung zu schneiden, damit sich virE2 an den Einzelstrang binden kann. Das Ziel der virE2-Proteine ist der Schutz des Einzelstranges vor Nukleasenabbau und der Transport der T-DNS zur bak- teriellen Membran. Für die weitere stabile Integration des Einzelstranges in das Pflanzenge- nom werden mit Hilfe des virE2 Nukleuslokalisationssignale (NLS) ausgelöst. Die NLS er- möglichen den Eintritt der DNS in den Kern. Es folgt eine Porenbildung und die T-DNS kann durch neugebildete Poren transportiert werden.
Agrobacterium tumefaciens 16
Abbildung 4 Infektion einer Pflanze mit Agrobacterium tumefaciens II
Dargestellt ist die Zusammenfassung der Teilschritte für eine natürliche Infektion einer Pflanzenzelle (rechts) mit dem Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens (links). Dabei handelt es sich um eine modifizierte Darstellung nach [15].
7.2 Agrobacterium tumefaciens in der Gentechnik
Biotechnologisch betrachtet, ist von dem Bakterium hauptsächlich das Ti-Plasmid von Be- deutung. Im Bereich des Ti-Plasmid sind wiederum die Grenzbereiche der Region der T-DNS wichtig, da hier die Gene soweit flexibel verändert werden können, wie es für den gewünsch- ten Zweck erforderlich ist. Es ist möglich, Nutzpflanzen durch Einbringen von Resistenzge- nen gegen Schädlinge resistent zu machen und so z. B. die Quantität von Ernten zu erhöhen.
In der Grünen Gentechnik werden die natürlichen Wirkmechanismen der Tumorinduktion durch das Bakterium für eine gezielte und technologisch modifizierte Anpassung der Gen- übertragung und der Einbringung gewünschter Eigenschaften in Nahrungs- und Futtermitteln angewendet. Für die Realisierung der gewünschten Ziele spielt vor allem der vektorvermit- telte Transfer des fremden Genmaterials durch Agrobacterium tumefaciens eine entscheidende Rolle. Als Träger überführt der Vektor neue, fremde Nukleinsäuresequenzen in den Zielorga- nismus und ist selbst biologischen Ursprungs. Unter der Verwendung der binären Vektortech- nik werden das gewünschte Zielgen und ein Markergen (meist eine Antibiotikaresistenz) in ein kleines Plasmid eingefügt und in das Bakterium Escherichia coli (E.coli) eingebaut. Das kleine Plasmid trägt zusätzlich die T-DNS, für eine Integration der fremden DNS in das Pflanzengenom (Abbildung 5) [23].
Expression der Opingene
Opinsynthese
Integration in das pflanzliche Genom
Expression von Phytohormongenen
Tumorbildung
Inducer Opine dienen als
C- und N-Quelle
Einzelstrangkopie der T-DNS durch virD1 und virD2 Polarität der T-
DNS durch virD2 am 5´-Ende
Umhüllen der T- DNS mit virE2- Einheiten Induktion aller
übrigen vir-Gene
virB
virGP
virG virA P
Agrobacterium tumefaciens 17 Die Gene für eine Tumorinduktion müssen aber aus der T-DNS entfernt werden [18]. Jedoch ist es eine Voraussetzung, dass die Schnittstellen für spezifische Restriktions-Endonukleasen nur in dem Abschnitt der T-DNS vorhanden sind. Nur hier kann ein fremder Gen-Abschnitt eingefügt werden, dass durch die gleichen Restriktions-Endonukleasen zugeschnitten wird.
Restriktionsendonukleasen schneiden spezifisch bestimmte Abschnitte an Gensequenzen und so auch an der T-DNS. Um den Einbau einer Vielzahl von fremder DNS zu ermöglichen, handelt es sich bei den Schnittstellen der Restriktionsendonukleasen um Polylinkersequenzen.
Abbildung 5 Transformation einer Pflanzenzelle
Dargestellt ist Transformation einer Pflanzenzelle durch die Infektion der Pflanze durch ein gentechnisch modifiziertes Agrobacterium tumefaciens. Dieses Agrobacterium tumefaciens enthält ein genmodifiziertes Plasmid aus dem Escherichia coli. Dieses Plasmid enthält die ge- wünschten Eigenschaften, wie insektizide Eigenschaften, die von der Pflanze produziert wer- den sollen [24].
Wie bereits beschrieben wurde, wird der T-DNS-Abschnitt links und rechts begrenzt. Für die Expression der DNS ist links von der Schnittstelle der Promoter. Für die Regulierung der DNS-Expression wird häufig der eukaryotische CaMV 35S Promotor (aus dem Blumenkohl Mosaik Virus) eingesetzt, da dieser eine hohe Effizienz hinsichtlich der Genexpression zeigt (hohe Transkriptionsraten).
Agrobacterium tumefaciens 18 Um anschließend die veränderte T-DNS und das Zielgen in das Genom der Pflanzenzelle zu integrieren, ist ein zweites Plasmid nötig. Hierfür wird das Ti-Plasmid des Agrobacterium tumefaciens eingesetzt.
Das Agrobacterium tumefaciens enthält das größere Plasmid, das Ti-Plasmid [20], [25]. Das Ti-Plasmid dient als Vektor, wobei seine Eigenschaft zur Tumorauslösung entfernt wird [7].
Dies bedeutet, dass die Gene für die Produktion der Cytokinine und Auxine nicht mehr vor- handen sind. Da ebenso die Opinsynthese in transgenen Pflanzen hauptsächlich eine Stoff- wechselbelastung darstellen würde, werden auch die Genabschnitte für die Opinsynthese ent- fernt. Lediglich die Region mit den vir-Genen ist noch auf dem Ti-Plasmid lokalisiert.
Das E. coli-Bakterium, die Startstelle der DNS-Replikationen, gewährleistet eine schnelle und leichte Vervielfältigung der Kopieanzahl der Plasmide mit den enthaltenen Zielsequenzen.
Das bedeutet, dass die kleinen Plasmide mit den gewünschten Sequenzen im E. coli-Bakterium vervielfältigt werden und anschließend in das Agrobacterium tumefaciens eingebracht werden. Durch die vir-Gene auf dem Ti-Plasmid ist eine Infektion des Pflanzen- gewebes möglich und mit Hilfe der T-DNS kann die neue DNS in das Pflanzengenom einge- baut werden.
Aufgrund der Integration der fremden DNS ist es nötig, die transformierten Pflanzen von de- nen ohne Transformation unterscheiden zu können. Hierfür trägt das kleine Plasmid bei- spielsweise zusätzlich das Gen (Markergen) der Neomycin- Phosphotransferase II (NPT II) [18], [26]. Dieses Gen verleiht den transgenen Pflanzen eine Antibiotikaresistenz gegenüber Neomycin und Kanamycin. Wird das Kulturmedium für die Aufzucht der transgenen Pflanzen mit Kanamycin angeimpft, überleben nur die Pflanzen mit integrierter Antibiotikaresistenz und können von den nicht transformierten Pflanzen abge- trennt werden.
Schlussendlich ist das Agrobacterium tumefaciens eine gute Alternative, um Pflanzen gen- technisch zu verändern. Es infiziert Dikotyledonen effizient, kann als Vektor für eine DNS- Übertragung dienen und integriert so schnell fremde DNS in das Genom von Pflanzen. Nach neuesten Verfahren ist es möglich, das Agrobacterium tumefaciens in der Genmodifizierung von Monokotyledonen, wie Mais, einzusetzen [27]. Hierbei wird der gewünschte Genab- schnitt vom Bakterium Bacillus thuringiensis auf seinem Plasmid in das Agrobacterium tumefaciens eingeschleust. Dieses wiederum enthält auch hier wieder das be- nötigte Ti-Plasmid. Diese Methodik soll im nächsten Abschnitt genauer betrachtet werden.
Bacillus thuringiensis 19 8 Bacillus thuringiensis
8.1 Bacillus thuringiensis in der Umwelt
In der Grünen Gentechnik stellen die Bakterien Bacillus thuringiensis (Bt) sowie Agrobacterium tumefaciens bedeutende Beispiele für den Einsatz von Mikroorganismen dar.
Bei dem Bakterium Bacillus thuringiensis handelt es sich um ein fakultativ anaerobes, gram- positives und sporenbildendes Bakterium. Das für den Menschen nicht giftige Bakterium wurde erstmals 1915 durch BERLINER als Bacillus thuringiensis beschrieben, nachdem er es aus einer Mehlmotte isoliert hatte [28]. Der Name thuringiensis bezeichnet hierbei eine Ge- gend in Thüringen, in der die infizierte Mehlmotte gefunden wurde. Jedoch wurde Bacillus thuringiensis 1901 erstmals aus einer Seidenraupe durch den japanischen Wissen- schaftler ISHIWATA isoliert [29], [30]. Wohingegen ISHIWATA dieses Bakterium damals noch Bacillus sotto nannte.
Befindet sich das Bakterium unter Nährstoffmangel, so kann hier die Phase der Sporulation eintreten. Während dieser generativen Phase werden Kristallproteine (ICP− insecticidal crystalline proteins), die sog. Bt-Proteine, auch δ-Endotoxine, gebildet, die aufgrund ihrer stammspezifischen insektiziden Eigenschaften gegenüber Schmetterlingen (Lepidoptera), Zweiflüglern (Diptera) und Käfern (Coleoptera) bekannt sind [29], [30]. Diese spezifische Wirkung bezieht sich auf die unterschiedlichen Aminosäuresequenzen der unterschiedlichen δ-Endotoxine.
Normalerweise impliziert der Begriff Endotoxin, dass es sich um Zellwandbestandteile gram- negativer Bakterien handelt, meist Lipopolysaccharide, Lipid A und somatische Antigene [7].
In dieser Belegarbeit wird aufgrund der vielfältigen Literaturdaten der Begriff Endotoxin für die Bezeichnung der parasporal gebildeten Kristallproteine, δ-Endotoxine, verwendet.
Neben ihrer spezifischen Wirkmechanismen sind die Bakterien weiterhin unspezifisch toxisch für die Insektengruppen der Hautflügler (Hymenoptera), Gleichflügler (Homoptera), Spring- schrecken (Orthoptera) und der Kieferläuse (Mallophaga), für Fadenwürmer (Nematoden) und Einzeller (Protozoen). Diese unspezifische Toxizität beruht auf dem Vorhandensein von Exotoxinen. Bei den Exotoxinen handelt es sich um Toxine, die vom intakten Bakterium an die Umwelt abgegeben werden. Exotoxine und VIPs (vegetative insecticidal proteins) werden während der Wachstumsphase, der vegetativen Phase, gebildet.
Bacillus thuringiensis 20
Abbildung 6 Wirkmechanismus der Kristallproteine von Bacillus thuringiensis
Verdauung der sporalen Bt-Proteine und der unlöslichen Protoxine ICP durch eine Insekten- larve (A) und anschließender Spaltung des kristallinen ICP im Darm des Insektes (B) in die aktive Form. Nach einer Aktivierung der ICP durch Proteasen erfolgt eine Bindung der aktiven Domäne des ICP an zelleigene Rezeptoren in der Zellmembran des Darmes des Insektes (C).
Hierbei kommt es zur Insertion des Giftes in die Membran und anschließender Poren- und Ka- nalbildung in der Darmmembran. Es folgt eine Zerstörung der Epithelzellen des Darmes, bis hin zum Tod der Larve. Neben der Bindung des Giftes an die Darmrezeptoren, kommt es zu- sätzlich zur Proliferation und Sporulation der aufgenommenen Bakterien, die wiederum weite- ren Schaden anrichten können (D) [31].
Genauer betrachtet können die oben erwähnten δ-Endotoxine in die Familien der Cry- und Cyt-Toxine unterteilt werden. Trotz ihres unterschiedlichen Aufbaus und der unterschiedli- chen Wirkmechanismen sind beide Familien an der Wirkung gegen spezifische Insektenklas- sen beteiligt. Die Namensgebung der Cry-Toxine beruht auf der Ableitung “crystal“ (eng- lisch: Kristall) und die Bezeichnung für die Cyt-Toxine stammt von der cytolytischen In-vitro-Aktivität der Gifte. Da es sich bei den δ-Endotoxinen um wasserlösliche Protoxine (130-140 kDa) handelt, werden die Kristalltoxine im Darm der Insekten pH-abhängig proteolytisch gelöst (Abbildung 6) und mit Hilfe von Proteasen gespalten [15], [32]. Während des Vorganges werden die Amino- und Carboxylenden gespalten. Nach dieser Spaltung liegen die Toxine in ihrer aktiven Form (60-70 kDa) vor. Die δ-Endotoxine sind nun in der Lage, an die Rezeptoren an der apikalen Mikrovilli-Membran der Epithelzellen der Insektendarmwand zu binden.
Bacillus thuringiensis 21 Es kommt zur Änderung der Konformation der Kristallproteinstruktur und das Toxin ist an- schließend fähig, in die Membran einzudringen [32]. Schlussendlich kommt es durch Oligomerisierung der Toxine in der Darmwand zur Porenbildung (Abbildung 7 und Abbildung 6), die wiederum zur osmotischen Lyse der Zelle führt.
Abbildung 7 Rezeptorbindung der Kristallproteine von Bacillus thuringiensis
Nach der Aufnahme der Cry-Protoxine (a) werden diese im Darm der Insekten proteolytisch gespalten und in die aktive Form (b). Anschließend binden diese Cry-Proteine an Darmrezepto- ren (c), (d) und führen zur Porenbildung in der Darmwand (e) [15].
Aufgrund der Lyse kommt es zu einer gestörten Nahrungsaufnahme durch Darmversagen.
Das Insekt verhungert und stirbt [7]. Die Kristallproteine müssen jedoch für ihre Wirkung von den Larven durch Fraß aufgenommen werden.
Weiterhin kann das Bakterium tiefer in das Innere des Insektes eindringen. Dort führt eine weitere Sporenbildung (Endsporen) zur Blutvergiftung und zur Bildung von giftigen Stoff- wechselprodukten.
Bacillus thuringiensis 22 8.2 Bacillus thuringiensis in der Gentechnik
In den frühen 80er Jahren wurde u. a. durch GONZALEZ et al.bekannt, dass die Gencodierun- gen für die toxischen Kristallproteine von Bacillus thuringiensis auf den übertragbaren Plas- miden lokalisiert sind [32]. Es folgten die ersten Versuche für Klonierungen und Charakterisierungen der Gene der Kristallproteine (Cry-Gene) mit Hilfe der Plasmid-DNS von Bacillus subsp. kurstaki HD. Diese ersten Ansätze sollen den Anstoß für die weitere ra- sante Entwicklung der heutigen transgenen Pflanzen gegeben haben. In den 90er Jahren war es zum ersten Mal möglich, modifizierte Cry-Gene direkt in das Genom von Kartoffelpflan- zen, Baumwolle und Getreide zu integrieren [29].
Die Wirkmechanismen der Kristallproteine des Bacillus thuringiensis machen es für die Her- stellung transgener Pflanzen besonders interessant. So auch für die Produktion von Bt-Mais.
Nachdem bekannt wurde, dass sich die Cry-Gene auf den oben erwähnten Plasmiden befin- den, ist das Interesse in den neunziger Jahren gestiegen, Bacillus thuringiensis als Bt-Biopes- tizide und eben auch in der Grünen Gentechnik einzusetzen [32]. Wie unter 2.1 erwähnt wurde, ist es das Ziel, über die Optimierung der Genexpression und der Synthesen der Kris- tallproteine in den Pflanzen, die Quantität und Qualität bestimmter Nutzpflanzen zu verbes- sern.
Für die Herstellung von Bt-Mais ist es hauptsächlich das Ziel, die Pflanze gegen den Mais- zünsler oder den Wurzelbohrer zu schützen. Bei der Herstellung insektenresistenter Pflanzen, wie Mais, kann das Bacillus thuringiensis-Plasmid (Bt-Plasmid) verwendet werden, da hier die insektenpathogenen Gencodierungen lokalisiert sind. Des Weiteren kann Bacillus thuringiensis auch für die gentechnische Veränderung von Dikotyledonen wie Kar- toffel, Raps, Soja eingesetzt werden, wenn als Vektor zusätzlich das Agrobacterium tumefaciens Anwendung findet. In der Verwendung von Bacillus thuringiensis sind zwei unterschiedliche Plasmide, binäre Vektoren, nötig. Die Art der binären Vektoren, also der Einsatz von Genabschnitten des Bacillus thuringiensis und des Ti-Plasmids von Agrobacterium tumefaciens, konnte auch bei einigen Monokotyledonen von Nutzen sein [27], [33].
Mit Hilfe der Vektortechnik können Süßgräser, wie Mais und auch Schilf, vom Agrobacterium infiziert werden. Das Agrobacterium enthält das Ti-Plasmid und gleichzeitig ein Plasmid mit den gewünschten Genabschnitten des Bacillus thuringiensis für eine Pflan- zenmanipulation.
Bacillus thuringiensis 23 Die Verwendung des Agrobacterium tumefaciens für die Modifizierung von Monokotyledo- nen stellte lange Zeit eine kaum realisierbare bis sehr große Herausforderung dar. Doch mit den Fortschritten der Gentechnik, wie der Optimierung von Aufzuchtbedingungen der Pflan- zen, ist es möglich, die gewünschten Gene vom Bacillus thuringiensis in das Agrobacterium tumefaciens zu integrieren und unreife, embryogene Maiszellen mit diesem veränderten Agrobacterium tumefaciens zu infizieren [34].
Es müssen die vir-Gene von Agrobacterium tumefaciens für eine Pflanzeninfektion aktiviert werden, dass dadurch gewährleistet werden kann, dass Acetosyringen als Reinsubstanz dem Nährmedium zugesetzt wird. Die embryogene Wurzel der zu verändernden Pflanze wird in eine Suspension vom Agrobacterium tumefaciens eingetaucht und anschließend in ein opti- males Medium für die Pflanze eingebracht. Die Suspension aus Agrobacterium tumefaciens enthält das Helferplasmid für eine Pflanzeninfizierung und trägt ein zweites Plasmid mit den Genabschnitten aus Bacillus thuringiensis.
Acetosyringon ist notwendig, um das Agrobacterium tumefaciens an die Wurzelstellen der Pflanze zu locken und um in sie einzudringen und diese zu infizieren [35], [36].
Eine genaue Beschreibung der Wirkungsmechanismen des Agrobacterium tumefaciens wird im Abschnitt 7 erklärt.
Wie eben beschrieben wurde, trägt das erste Plasmid den erwünschten DNS-Abschnitt von Bacillus thuringiensis und zusätzlich als Marker ein Antibiotikaresistenzgen. Die DNS und das Markergen werden auch hier von den RB- und LB-Sequenzen stabil abgegrenzt. Das Hel- ferplasmid, das Ti-Plasmid des Agrobacterium tumefaciens, trägt die Gencodierung für den DNS-Transport in die Zielpflanze. Als Hilfsvektor werden im Ti-Plasmid die Abschnitte mit der tumorauslösenden T-DNS des Agrobacterium tumefaciens mit Hilfe von Restriktionsen- zymen ausgeschnitten. Lediglich die Gencodierung für die vir-Proteine und für den Transfer der DNS in die Pflanzenzellen ist auf dem Ti-Plasmid lokalisiert.
Nach Einbringung des Plasmids von Bacillus thuringiensis in Agrobacterium tumefaciens kann die fremde DNS durch die Infizierung der Pflanze in das Pflanzengenom eingebaut wer- den.
Als Markergen wird bei der Verwendung durch das gram-positive Bakterium häufig eine Re- sistenz gegenüber β-Lactam-Antibiotika eingesetzt. Zu dieser größten Gruppe an Antibiotika zählen u. a. Penicillin, Ampicillin, Cephalosporin [36]. Eine Erklärung der Wirkmechanismen der Antibiotika ist im Abschnitt 12.2 genauer dargelegt.
Weiterhin ist es möglich, dass direkt in das Ti-Plamsid die gewünschten DNS-Bereiche des Bacillus thuringiensis und die Markergene für eine Antibiotikaresistenz eingebaut werden.
Zea mays 24 Der gewünschte DNS-Abschnitt wird aus dem Plasmid des Bacillus thuringiensis ausge- schnitten und in das Plasmid von Agrobacterium tumefaciens eingebaut. Diese gewünschte fremde DNS kann in das Ti-Plasmid des Agrobacterium tumefaciens integriert werden, da dieses Plasmid durch die Gencodierung die Eigenschaften für den DNS-Transport in die Ziel- pflanze enthält. Als Hilfsvektor werden auch hier im Ti-Plasmid die Abschnitte mit der tu- morauslösenden T-DNS des Agrobacterium tumefaciens mit Hilfe von Restriktionsenzymen ausgeschnitten und die Ziel-DNS aus dem Bt-Plasmid eingebaut.
9 Zea mays
Mais (Zea mays) ist für die Verwendung als transgene Nahrungs- und Futtermittelpflanze ei- nes der bedeutendsten Beispiele aus der Familie der einkeimblättrigen Süßgräser (Poaceae) [37]. Diese C4-Pflanze ist eine einjährige Monokotyledone, wobei die weiblichen (Blüten der seitenständigen Kolben bzw. in den Achseln der Blätter) und männlichen Blüten (in der Rispe, an der Spitze der Pflanze) voneinander getrennt sind [38]. Ursprünglich stammt Mais aus Mexiko, wo er aus der mehrjährigen Teosinte gezüchtet wurde [39]. Heutzutage stellt Zea mays subsp. mays die wichtigste Form dar und umfasst die größte Gruppe der Le- bens- und Futtermittelpflanzen [40]. Als stärkereiche Pflanze ist Mais vor allem in den Ent- wicklungsländern ein Grundnahrungsmittel. Für den Menschen ist es ein wichtiger Kohlen- hydratlieferant und in der Viehwirtschaft bedeutend als Futtergetreide (Silomais und Körner- mais). Aufgrund der guten Silierung von Mais, ist eine Vorratslagerung für die Viehfütterung vor allem in Europa und Amerika möglich.
Ein zunehmender Beitrag in den Industrieländern stellt derzeit auch der Einsatz von Mais zur Energiegewinnung in Biogasanlagen dar [41].
Trotz des extensiven Einsatzes von Mais in der Landwirtschaft, stellt es als empfindliche Kulturpflanze die Landwirtschaft vor große Probleme. Als Monokulturen werden sie jedes Jahr neu angepflanzt und vermindern einseitig den Nähstoffgehalt des Bodens.
Trotz des intensiven Einsatzes von Monokulturen, werden den Böden immer wieder die glei- chen Nährstoffe entzogen und erfordern einen höheren Bedarf an Pflanzendüngern. Er ist schneller anfällig für Erkrankungen. Aufgrund der dichten Bepflanzung innerhalb des Feldes, können Erkrankungen schneller von einer Pflanze auf die nächste übertragen werden. Pilzin- fektionen und ein Befall durch tierische Schädlinge, wie der Fritfliege (Oscinella frit), die
Zea mays 25 Ackerschnecken (Deroceras ssp.) und der Befall durch den Maiszünsler (Ostrinia nubilalis) und des Westlichen Maiswurzelbohrers (Diabrotica vigifera) stellen hier nur einige Beispiele dar, die Schäden am Mais verursachen können [7]. Der Maiszünsler zu den Schmetterlingen und dringt in die Sprossen der Maispflanze ein. Dort verursacht er schwere Fraßschäden, die zu hohen Ernteausfällen führen können. In den Stängeln überwintern reife Zünsler. Jedes Weibchen kann in Abhängigkeit zur Umgebungstemperatur auf die Unterseite der Blätter 500 bis 600 Eier legen. Nachdem sich die Larven durch die Blätter gefressen haben, bohren sie sich durch den Blattmittelsteg. Je nach Larvenstadium kann sich der Maiszünsler weiter in den Pflanzenstängel und bis in die Maiskolben fressen. Diese Fraßschäden führen am Ende zum Abknicken der Stängel, Abfall von Kolben sowie zu verminderten Stärke- und Zucker- gehalten in den Kolben.
9.1 Bt-Mais
Zum Schutz der Nutzpflanzen vor tierischen Schädlingen sowie zur Erhöhung der Erträge dieser Nahrung- und Futtermittelpflanzen, ist der Einsatz transgener Pflanzen in den letzten Jahren drastisch gestiegen. Bevor bekannt wurde, dass ein gezielter Gentransfer vom Bacillus thuringiensis in die Maispflanze möglich ist, wurde extensiv ab den 30er Jahren ein Insektenspray eingesetzt, welches Sporen oder auch Kristallproteine des Bacillus thuringiensis enthielt. In dieser Zeit stellte es zunächst eine gute Alternative gegen- über DDT als Pflanzenschutzmittel dar [42]. Für die landwirtschaftliche Kontrolle von Pflanzenschädlingen ist der Einsatz in der Hinsicht sinnvoll und nützlich, dass die von Bacillus thuringiensis produzierten Proteine direkt als Bt-Proteinsuspensionen eingesetzt werden.
Dennoch ist der Einsatz von Bacillus thuringiensis auch mit Nachteilen behaftet. Die Pesti- zide können sich auch ungünstig auf dichtbesiedelte Stämme wie Bienenstöcke auswirken.
Hier kam es z. B. zu vermehrten Tierseuchen [42].
Neben der Instabilität der giftigen Bestandteile, behält die Verwendung als Spritzmittel wei- terhin den Nachteil, dass es, oberflächlich aufgetragen, leicht vom Regen abgespült werden kann. Die Kristallproteine sind instabil bei UV-Einstrahlung und zerfallen schnell durch di- rektes Sonnenlicht [28], [42], [43]. Des Weiteren birgt der Einsatz als Spray die Gefahr, dass das Pestizid nicht homogen auf die gewünschten Pflanzenabschnitte aufgebracht wird. Eine Minimierung dieser Problematik wurde in der Verwendung von transgenen Pflanzen erkannt.
Zea mays 26 Hier kann eine modifizierte Version des Cry-Gens von Bacillus thuringiensis für die Herstel- lung transgener Pflanzen eingesetzt werden. Durch die Produktion der Cry-Proteine durch die transgenen Pflanzen können die Insekten in vivo bekämpft werden. Gentechnisch veränderte Pflanzen, die Gene des Bacillus thuringiensis enthalten, gewährleisten weiterhin, dass die Cry-Proteine in ausreichend großer Menge in der Pflanze produziert werden [44]. Sie stellen so sicher, dass die Insekten effektiv abgetötet werden können. Für die Erhöhung der Ernteer- träge und der Stabilität der Pflanzen, ist der Einsatz transgener Maispflanzen in den letzten Jahren drastisch gestiegen. Weltweit wurden 2007 circa 11,3 Millionen Hektar Bt-Mais ange- baut [45]. Die Produktionsmengen 2011 sind wahrscheinlich im Bereich von 20 Millionen Hektar. Derzeit liegen keine genauen Daten vor, um diese Aussage eindeutig zu belegen. In diesen Pflanzen ist aufgrund einer kontinuierlichen Giftproduktion ein kontinuierlicher Schutz der Pflanze vor Insektenfraß an allen Stellen der Pflanze möglich [43]. Um die Pflanzen ge- gen den Maiszünsler zu schützen, werden die Gene für das Bt-Protein Cry1Ab eingebracht.
Ein Schutz vor dem Maiswurzelbohrer kann durch die Integration des Bt-Proteins Cry3Bb1 gewährleistet werden. Als Beispiel soll hier das Korn von Monsanto, YieldGard® Korn, MON810 genannt werden [46]. Es wird heute zum Teil in Europa und Nordamerika angebaut.
In Deutschland darf das MON810 derzeit jedoch nicht angepflanzt werden [47].
Die Linie MON810 von Monsanto enthält das Gen CryA1Ab des Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki-Stamm HD-1 [46]. Ebenfalls zugelassen in Europa ist die Linie Bt-11 der Firma Novartis, welche das gleiche Gen aus Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki trägt.
Die verschiedenen Stämme von Bacillus thuringiensis haben die Eigenschaft, gegen verschie- dene tierische Schädlinge wirksam zu sein und aufgrund der Vielfalt der verschiedenen For- men von Cry-Proteinen, ist ein Einsatz zur Produktion transgener Maissorten fast ubiquitär möglich [28], [45].
Im MON810 kann das Cry1Ab-Protein in einem Konzentrationsbereich von 3 bis 10 µg/g frischem Blattgewebe produziert werden. Im Korn sind Bereiche von 0,2 bis 1,4 µg/g mög- lich [45].
Dahingegen wird der Bt-Mais mit dem integrierten Cry-Protein Cry3Bb1 bevorzugt dort eingesetzt, wo die Pflanzen robust gegenüber dem Westlichen Maiswurzelbohrer sein müssen [28]. 2003 kam das erste transgene Produkt gegen die Schäden durch den Maiswurzelbohrer in den USA auf den Markt. Dieses aktuelle Produkt von Monsanto MON863 (Monsanto YieldGard® gegen den Maiswurzelbohrer) wird auch weiterhin vor allem in Nordamerika verwendet. Hiernach erwähnen ICOZ et al., dass der Westliche und Nördliche
Übertragungswege von GVOs 27 Maiswurzelbohrer jährlich einen Schaden von fast einer Milliarde Dollar verursacht [45]. Der transgene Mais MON863 ist in der Lage u. a. in den Blättern, den Pollen und auch in den Wurzeln die Cry3Bb1-Proteine in einem Konzentrationsbereich von 3,2 bis zu 93 µg/g zu produzieren.
10 Übertragungswege von GVOs
Das Risiko des Gentransfers von resistenten Mikroorganismen wird schon längst nicht mehr nur im Bereich des klinischen Alltages befürchtet, auch in Hinblick auf die Übertragung von Gensequenzen von transgenen Pflanzen auf Bakterien im Boden und über die Nahrung, bis hin in den Darmtrakt des Menschen. Ist die Gefahr einer Verbreitung resistenter Stämme durch gentechnisch modifizierte Pflanzen doch möglich, so darf auch nicht außer Acht gelas- sen werden, dass Übertragungswege resistenter Bakterienstämme bzw. bakterieller Gene auch innerhalb verschiedener Umweltsysteme eine Rolle spielen [48].
Nach der erfolgreichen Produktion transgener Sorten von Mais, wurden die Bedenken lauter, ob es nicht möglich wäre, dass diese genmanipulierten Stämme einen gewissen Betrag an Gensubstanz wieder in die Natur abgeben. Würde es dann zu unerwünschten Veränderungen des Genmaterials natürlich vorkommender Bakterienarten und Pflanzensorten kommen?
10.1 Horizontaler Gentransfer
Der Einsatz von gentechnisch veränderten Lebens- und Futtermitteln hat positive Effekte, bezogen auf die Erhöhungen der Ernteerträge, Aufwertung des Energiegehaltes der Pflanzen sowie dessen Einsatz in der Biogasproduktion, erbracht. Jedoch ist die Verwendung transge- ner Pflanzen auch eines der wichtigsten Themen, wenn es um den Schutz des Verbrauchers und der Nutztiere geht. Die Bedenken gegenüber transgener Pflanzen beziehen sich hierbei auf die Ausbreitung des genetischen Materials zum einen innerhalb der gleichen Artgrenzen (vertikal) und zum anderen über die Artgrenzen hinaus [49]. Letzteres wird auch als
