Karlsruhe, Germany
March 21, 2022
Researchers use CRISPR-Kill to prevent the model plant thale cress from forming secondary roots
Mit CRISPR-Kill verhindern die Forschenden an der Modellpflanze Ackerschmalwand das Ausbilden von Seitenwurzeln. (Abbildung: Angelina Schindele, KIT)
With the help of the CRISPR/Cas molecular scissors, genetic information in a plant can be modified to make the latter more robust to pests, diseases, or extreme climatic conditions. Researchers of Karlsruhe Institute of Technology (KIT) have now developed this method further to eliminate the complete DNA of specific cell types and, thus, prevent their formation during plant development. This will also help to better understand development mechanisms in plants. The findings are presented in Nature Communications. (DOI: 10.1038/s41467-022-29130-w)
By means of molecular scissors, the DNA – the carrier of genetic information – can be modified in plants. So far, the CRISPR/Cas method co-developed in plants by Professor Holger Puchta, molecular biologist at KIT’s Botanical Institute has already been used to specifically insert, exchange or combine genes. The goal is to increase the plant’s resistance to diseases and environmental impacts. CRISPR (stands for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas are molecular scissors that can specifically recognize and cut DNA sequences. “We have studied molecular scissors for plant use for 30 years now. In the beginning, we applied them to modify individual genes. Two years ago, we were the first worldwide to restructure complete chromosomes,” Puchta says. For his research, the pioneer of genome editing twice received the renowned Advanced Grant of the European Research Council (ERC). “We were able to optimize this method. With CRISPR-Kill, we have reached now an entirely new level of development: We can eliminate certain plant cell types and prevent the formation of specific plant organs.”
Eliminating Secondary Roots and Petals with CRISPR-Kill
The experiments carried out by the scientists concentrated on secondary roots and petals of the model plant thale cress (Arabidopsis thaliana). “These are classical examples in biology. Here, we know the genetic program and the cell types that are important for the formation of these plant organs,” the molecular biologist explains. After the elimination of these cells, CRISPR-Kill plants no longer formed any petals or secondary roots, whereas the control plants exhibited normal growth.
Contrary to other methods that eliminate cells with cytotoxins or laser radiation, CRISPR-Kill induces multiple cuts in the genome. A genome consists of a certain number of chromosomes, on which the individual genes are arranged in fixed order. “So far, CRISPR/Cas has aimed for exactly one location and has cut once or twice to modify a gene or chromosome,” Puchta says. “Now, we have reprogrammed our molecular scissors. They no longer address the genomic DNA only once, but aim in the respective cell type for a sequence that is encountered often in the genome and that is essential for the survival of the cell. In this way, many cuts are induced at the same time - too many for the cell to repair them. The cell will die.”
Better Understanding Development Processes in Plants
The work of the KIT researchers can be classified as fundamental research. “By studying what happens when a certain cell type is eliminated, we learn more about the development processes in plants. How does the plant react? How flexible is the plant during development? Can we remove parts of plants that are not necessary in agriculture, for instance?,” Puchta adds. In the long term, food production and pharmaceutical applications might profit from this technology when the plant is prevented from forming cells that produce toxins, for instance. Moreover, the technology might be applied in multi-cellular organisms for the specific modification of tissues.
Original Publication
Angelina Schindele, Fabienne Gehrke, Carla Schmidt, Sarah Röhrig, Annika Dorn, & Holger Puchta: Using CRISPR-Kill for organ specific cell elimination by cleavage of tandem repeats. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-29130-w.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29130-w
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Mit der Genschere einzelne Zelltypen gezielt eliminieren - Forschende des KIT verhindern mit CRISPR-Kill die Bildung von spezifischen Organen während der Pflanzenentwicklung
Mit der molekularen Schere CRISPR/Cas lassen sich genetische Informationen in einer Pflanze verändern, um sie etwa robuster gegen Schädlinge, Krankheiten oder extreme klimatische Bedingungen zu machen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben diese Methode nun so weiterentwickelt, dass sie erstmals in der Lage sind, die komplette DNA spezifischer Zelltypen zu eliminieren und so deren Entstehung während der Pflanzenentwicklung zu verhindern. Dies soll dabei helfen, die Entwicklungsvorgänge bei Pflanzen besser zu verstehen. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Communications. (DOI: 10.1038/s41467-022-29130-w)
Molekulare Scheren ermöglichen es, die DNA – also den Träger der Erbinformationen – in Pflanzen zu verändern. Die von Professor Holger Puchta, Molekularbiologe am Botanischen Institut des KIT, für Pflanzen mitentwickelte CRISPR/Cas-Methode ermöglichte es bisher bereits, gezielt Gene einzufügen, auszutauschen oder zu kombinieren, um Kulturarten widerstandsfähiger etwa gegen Krankheiten und Umwelteinflüsse zu machen. Bei CRISPR (steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas handelt es sich um eine molekulare Schere, die DNA-Sequenzen hochspezifisch erkennt und schneidet. „Bereits seit 30 Jahren forschen wir an molekularen Scheren für Pflanzen. Am Anfang haben wir sie eingesetzt, um einzelne Gene zu verändern. Vor zwei Jahren ist es uns zum ersten Mal weltweit gelungen, ganze Chromosomen umzuformen“, sagt Puchta, der als Pionier des Genome Editing mit molekularen Scheren gilt und für seine Forschung bereits zweimal den renommierten Advanced Grant vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) erhalten hat. „Jetzt haben wir die bisherige Methode optimiert und mit CRISPR-Kill eine komplett neue Ebene bei der Entwicklung erreicht: Wir können nun einzelne Pflanzenzelltypen ausschalten und so das Ausbilden von ganz spezifischen Pflanzenmerkmalen verhindern.“
Mit CRISPR-Kill Seitenwurzeln und Blütenblätter eliminieren
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konzentrierten sich bei ihren Versuchen auf die Seitenwurzeln und Blütenblätter der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). „Das sind klassische Beispiele in der Biologie. Hier kennen wir das genetische Programm und wissen, welche Zelltypen wichtig für das Ausbilden dieser Pflanzenteile sind“, so der Molekularbiologe. Nach dem Ausschalten der spezifischen Zelltypen, bildeten die CRISPR-Kill-Pflanzen keine Blütenblätter oder Seitenwurzeln, während die Kontrollpflanzen normales Wachstum zeigten.
Die Methode CRISPR-Kill zielt im Gegensatz zu anderen Methoden, bei denen Zellen durch Zellgifte oder dem Einsatz von Laserstrahlung eliminiert werden, auf das Schneiden spezifischer Stellen im Genom ab. Ein Genom besteht aus einer bestimmten Zahl von Chromosomen, auf denen in festgelegter Reihenfolge die einzelnen Gene angeordnet sind. „Bisher haben wir bei CRISPR/Cas genau eine Stelle angesteuert und ein- oder zweimal geschnitten, um ein Gen oder Chromosom zu verändern“, so Puchta. „Jetzt haben wir die molekulare Schere so umprogrammiert, dass sie in dem jeweiligen Zelltyp nicht nur einmal schneidet, sondern eine Sequenz ansteuert, die häufig im Genom vorkommt und für das Überleben der Zelle essenziell ist. So kommt es gleichzeitig zu vielen Schnitten – zu so vielen, dass die Zelle diese nicht mehr reparieren kann und abstirbt.“
Entwicklungsvorgänge bei Pflanzen besser verstehen
Mit ihrer Arbeit tragen die Forschenden des KIT zur Grundlagenforschung bei. „Indem wir untersuchen, was passiert, wenn man den einen oder den anderen Zelltyp ausschaltet, können wir mehr über die Entwicklungsvorgänge bei Pflanzen lernen. Wie reagiert die Pflanze? Wie flexibel ist sie in ihrer Entwicklung? Können wir Teile von Pflanzen entfernen, die beispielsweise in der Landwirtschaft nicht benötigt werden?“, blickt Puchta in die Zukunft. Langfristig könnten sowohl die Lebensmittelproduktion als auch pharmazeutische Anwendungen von dieser Technologie profitieren, indem beispielsweise das Entstehen von Zellen, die Giftstoffe produzieren, bei der Entwicklung der Pflanze gezielt verhindert wird. Auch könnte die Technik bei anderen Vielzellern für die gezielte Veränderung von Geweben Anwendung finden. (swi)
Originalpublikation
Angelina Schindele, Fabienne Gehrke, Carla Schmidt, Sarah Röhrig, Annika Dorn & Holger Puchta: Using CRISPR-Kill for organ specific cell elimination by cleavage of tandem repeats. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-29130-w.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29130-w
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