Tübingen, Germany
January 28, 2016
Comparison of four breeding methodologies. Conventional breeding mainly relies on hybridation between a donor and a recipient line. The progeny is selected for the desired characteristic. To remove unwanted traits from donor plant, the best line of the progeny is obtained by backcrossing with recipient line. Transgenesis is the genetic modification of a recipient line with genes from other species which are sexually incompatible with the recipient plant. Cisgenesis is the genetic modification of a recipient plant transformed with a natural gene for a crossable plant. Genome editing is a type of genetic engineering in which DNA is directly inserted, replaced, or removed from a genome using engineered nucleases, the so called "molecular scissors", to obtain a desirable trait. BCn, backcross n generation; trans-GMO, transgenic-Genetically Modified Organism; cis-GMO, cisgenic-Genetically Modified Organism; GEC, genome-edited crops.(Copyright: Sanwen Huang/ Chinese Academy of Agricultural Sciences)
CRISPR/Cas9 is a new method for targeted genetic changes. Together with other methods, it is part of the so-called genome editing toolbox. At the moment, genome-editing is mostly discussed in the context of medical applications, but its use is perhaps even more promising for plant breeding. Scientists from China, the United States and Germany, among them Prof. Dr. Detlef Weigel of the Max-Planck-Institute for Developmental Biology in Tübingen, have now proposed a regulatory framework for genome editing in plants that has been published in the journal Nature Genetics.
Using genome editing, DNA can be altered in a very precise manner. Often, only a single base, that is one letter of the genome, is replaced or deleted. This is essentially the same as the constantly occurring genome changes in nature due to random mutations. After such a mutation or genome-editing have taken place, their consequences are indistinguishable. This is not due to technical shortcomings, but to the factual lack of physical, chemical or biological differences. “We thus do not see a reason for considering genome edited plants as genetically modified organisms”, says Weigel. The changes resulting from genome-editing should however be analysed and documented to ensure that no remnants of foreign DNA, if such an approach was used for genome editing, are left behind. Apart from that, plants changed in this way should not be subject to stricter rules than conventionally bred plants.
The aim of plant breeding is to continually improve advantageous traits in order to make our crops more resistant against fungal infection, to help them cope better with drought or to thrive with less fertilizer. One way to reach this goal is to cross cultivars with different advantageous traits. As an alternative, chemicals or radiation are deployed, both of which cause randomly distributed mutations throughout the genome. Unfortunately, for both techniques a large portion of the resulting offspring is not better or even worse than the parental plants, and finding promising individuals is often lengthy and tedious. Both techniques are among the standard tools of conventional breeding, whose products can enter the market without authorization.
For several decades, it has been possible to insert genes into plants, using genome engineering methods. These could be genes coming from other plants, or from completely different organisms such as bacteria. A disadvantage of these techniques is that it cannot be controlled where exactly in the genome the new genes get inserted. Thus many candidates have to be scrutinized until a plant with the desired traits is found.
In reports of genome editing, metaphors such as genome surgery or genetic scalpel are often used. “Conventional genetic engineering can be compared to open-chest surgery” illustrates Weigel, while genome-editing would correspond to minimally invasive surgery, because one can precisely determine where in the genome a change is supposed to happen. Using genome engineering methods one can also precisely replace genes of one species with genes of other varieties or close relatives – which is one goal of conventional breeding as well. Genome-editing allows to achieve the same alterations as conventional breeding, but much faster.
For these reasons, the scientists advocate the following common sense approach concerning the development and authorization of genome-edited plants: First, the risk of uncontrolled spread should be minimized during the development phase. Second, the resulting DNA-changes should be precisely documented. Third, it has to be taken into account that CRISPR/Cas9 techniques may in the beginning require insertion of foreign DNA into the cell; if this is the case, it has to be documented that the foreign DNA has been completely removed. Finally, has a gene been replaced by one from a different species, it should be stated how close the two species are related to each other. Are they only distantly related, additional case-by-case considerations might be necessary. For registration of new varieties, documentation regarding these points should be included, but otherwise, genome edited plants should be treated like conventionally bred varieties.
The European Union has not finalized their assessment, but in both Germany and Sweden the responsible authorities have already declared, that certain genome-edited varieties are in principle the same as products of conventional breeding. “An important aim of breeding is to make agriculture more sustainable. Genome editing can, for example, help when breeding for resistance to fungal infection without the use of chemical pesticides. We should not miss out on such opportunities,” states Weigel.
Original Publication:
A proposed regulatory framework for genome-edited crops. Nature Genetics.
DOI 10.1038/ng.3484
Vorschlag zur Einstufung neuer Methoden in der Pflanzenzucht - Internationale Gruppe von Wissenschaftlern appelliert, neue gentechnische Züchtungsmethoden sinnvoll zu nutzen
CRISPR/Cas9 ist eine neue Methode, um Gene zielgerichtet zu verändern. Sie gehört mit anderen Methoden zur Technik des sogenannten Genom-Editings. Im Moment wird das Genom-Editing zwar hauptsächlich im Zusammenhang mit medizinischen Anwendungen diskutiert, aber seine Anwendung ist auch für die Pflanzenzüchtung vielversprechend. Wissenschaftler aus China, den USA und Deutschland, unter ihnen Prof. Dr. Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, haben jetzt einen regulatorischen Rahmen für das Genom-Editing bei Pflanzen vorgeschlagen.
Beim Genom-Editing kann das Erbgut sehr präzise verändert werden. Oftmals wird nur eine einzige Base, also ein Buchstabe, im Erbgut ersetzt oder gelöscht. Solche spontanen Mutationen passieren in der Natur laufend. Nachdem die Mutation oder das Genom-Editing stattgefunden haben, sind die Konsequenzen nicht unterscheidbar. Dies liegt nicht an methodischen Unzulänglichkeiten, sondern daran, dass es tatsächlich keine physischen, chemischen oder biologischen Unterschiede gibt. Nach dem deutschen Gentechnikgesetz werden die Organismen als gentechnisch verändert eingestuft, deren „genetisches Material so verändert worden ist, wie es auf natürliche Weise durch Kreuzen und/oder natürliche Rekombination nicht möglich ist“. Daher gebe es keinen Grund, Genom-editierte Pflanzen als gentechnisch veränderte Organismen zu bewerten, so Detlef Weigel. Die Änderungen, die durch das Genom-Editing erfolgt sind, sollten jedoch analysiert und dokumentiert werden, und es sollte sichergestellt werden, dass keine Reste von eventuell vorher eingeführter Fremd-DNA im Erbgut verbleiben. Ansonsten sollten so veränderte Pflanzen keinen strengeren Regeln unterliegen als konventionell gezüchtete.
Das Ziel der Pflanzenzüchtung ist, vorteilhafte Eigenschaften ständig zu verbessern, so dass unsere Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Pilzbefall werden, nicht zu stark unter Dürre leiden oder mit weniger Kunstdünger auskommen. Das kann man zum einen erreichen, indem man Sorten mit unterschiedlichen vorteilhaften Eigenschaften kreuzt. Alternativ kommen Chemikalien oder Strahlung zum Einsatz, die zufällig im Erbgut verteilte Mutationen auslösen. Leider sind bei beiden Verfahren viele Nachkommen nicht besser oder sogar schlechter als die Eltern, und das Auffinden von vielversprechenden Individuen ist oft sehr langwierig und aufwändig. Beide Verfahren gehören zum Standardwerkzeug der konventionellen Züchtung, deren Produkte ohne Zulassung vermarktet werden dürfen.
In den letzten Jahren war es bereits möglich, mit gentechnischen Methoden neue Gene in die Pflanzen einzubringen. Das konnten Gene von anderen Pflanzenarten, aber auch aus gänzlich anderen Organismen wie Bakterien sein. Ein Nachteil dieser Verfahren ist bis heute, dass nicht kontrolliert werden kann, wo die neuen Gene im Erbgut landen. Deshalb müssen viele Kandidaten durchmustert werden, bis man eine Pflanze mit den gewünschten Eigenschaften hat.Im Zusammenhang mit dem Genom-Editing werden oft Metaphern wie Genom-Chirurgie oder genetisches Skalpell verwendet. „Die herkömmliche Gentechnik bei Pflanzen kann man mit einer Herzoperation unter Öffnung des gesamten Brustkorbs vergleichen“, veranschaulicht Weigel, während das Genom-Editing einem minimal-invasiven Eingriff entspräche. Denn beim Genom-Editing könne ganz genau bestimmt werden, an welcher Stelle im Erbgut eine Veränderung stattfinden soll. Man kann daher mit dieser Methode auch sehr präzise Gene einer Art durch Gene von anderen Sorten oder nahen Verwandten ersetzen. Das ist auch ein Ziel von konventioneller Züchtung. Genom-Editing ist damit ein Weg, dieselben Veränderungen zu erzielen wie konventionelle Züchtung, allerdings sehr viel schneller.
Die Wissenschaftler setzen sich aus diesen Gründen bei der Entwicklung und Zulassung von Genom-editierten Pflanzen für folgendes Vorgehen ein: Erstens sollte während der Entwicklungsphase das Risiko einer Ausbreitung im Freiland minimiert werden. Zweitens sollten die entstandenen DNA-Veränderungen exakt dokumentiert werden. Drittens sei zu beachten, dass bei vielen CRISPR/Cas9 Verfahren zuerst Fremd-DNA in die Zelle eingeschleust werden muss; trifft dies zu, soll belegt werden, dass diese Fremd-DNA in der zuzulassenden Sorte spurlos entfernt wurde. Wurde ein Gen durch das einer anderen Art ersetzt, sollte weiterhin angegeben werden, wie nahe die Arten verwandt sind. Sind die Arten nur entfernt verwandt, müsste im Einzelfall geprüft werden, ob weitergehende Untersuchungen nötig sind. Bei der Zulassung neuer Sorten sollen diese Punkte genau festgehalten werden. Abgesehen davon sollten so erzeugte Pflanzen wie konventionelle Züchtungen behandelt werden.
Die Europäische Union hat noch keine abschließende Bewertung getroffen, aber in Deutschland und Schweden haben die zuständigen Behörden bestimmte Genom-editierte Sorten bereits den Produkten konventioneller Züchtung gleichgestellt. „Ein wichtiges Ziel der Züchtung ist, die Versorgung mit Agrarprodukten nachhaltiger zu machen. Genom-Editing kann zum Beispiel helfen, Pflanzen zu züchten, die sich auch ohne chemische Pestizide gegen Pilzbefall wehren können. Diese Möglichkeit sollten wir uns nicht vorenthalten“, so Weigel.
Originalpublikation:
A proposed regulatory framework for genome-edited crops. Nature Genetics.
DOI 10.1038/ng.3484
Informationen zu Genom-Editing
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Species
