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Einführung in Biotechnologie der Pflanzen für Ernährungswissenschaftler PD Dr. Klaus-J. Appenroth Lehrstuhl Pflanzenphysiologie Wintersemester 2012/ 2013. 1. Einordnung der Biotechnologie als eine Einführung 2. Der jetzige Stand 3. Einige molekularbiologische Grundlagen - PowerPoint PPT Presentation
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Einführung in Biotechnologie der Pflanzen für Ernährungswissenschaftler
PD Dr. Klaus-J. AppenrothLehrstuhl Pflanzenphysiologie
Wintersemester 2012/ 2013
Vorläufiges Programm, interaktiv
1. Einordnung der Biotechnologie als eine
Einführung
2. Der jetzige Stand
3. Einige molekularbiologische Grundlagen
4. Biotechnologische Methoden, die man kennen
muss! Teil I
5. Was sind Mutanten und wie werden sie erzeugt?
6. Wie macht man gentechnisch veränderte
Pflanzen?
7. Biotechnologische Methoden, die man kennen
muss! Teil II
8. Umweltaspekte und ethische Erwägungen
9. Biotechnologische Diagnostik
Moderne Biotechnologie der Pflanzen
=
Anwendung von Methoden der Molekularbiologie und Zellbiologie
zur Pflanzenzucht (Verbesserung von Sorten,Züchtung neuer Sorten)
und zum Pflanzenschutz.
Was bedeutet bessere Pflanzen?
- Höherer Ertrag (Quantität)- höhere Toleranz gegen Umweltfaktoren (Krankheiten, Trockenheit…)- höhere Nahrungsmittelqualität (Proteine, Fette)- bessere Lagerqualität- einfachere Handhabbarkeit (Ernte, Transport,
Prozessierung)
Wichtig:Der ökonomische Aspekt darf nicht vergessen werden, sonst ist die moderne Züchtung (Biotechnologie) schnell„out of business“!
Aufgaben der pflanzlichen Biotechnologie
1. Erhöhung des Ertrages
2. Verbesserung der Qualität
3. Schutz der Umwelt
Züchtung bedeutet Veränderung des Erbgutes.
Wie kommt es zu solchen Veränderungen?Wie kommt es zu solchen Veränderungen?
Züchtung macht Gebrauch von sexueller Fortpflanzungund den damit verbundenen Zufallsgeneratoren.
Drei Zufallsgeneratoren im sexuellen Fortpflanzungscyclus
1. Crossing over (Intrachromosomale Rekombination)In der meiotischen Prophase kommt es zu vielfachen Stück-austausch zwischen entsprechenden mütterlichen und väterlichen Chromosomen des diploiden Chromosomensatzes;Ort und Ausmaß dieser reziproken Stückaustausche sind weitestgehend zufällig.
2. Interchromosomale RekombinationBei der ersten meiotischen Teilung werden mütterliche und väterliche Chromosomen zufällig auf die beiden Tochterzellen verteilt.
3. GametenverschmelzungBei der Gametenverschmelzung ist es wieder dem Zufallüberlassen, welche Gameten im konkreten Fall zu einer Zygote verschmelzen.
1.1. Crossing over (Intrachromosomale Rekombination)Crossing over (Intrachromosomale Rekombination)
Veränderungen der Landschaft zwischen1830 und 2005
1990
Anteil des Verdienstes für Nahrungszwecke:
19. Jhdt.: Nahrungsbedarf finanziell nicht gedeckt1955: 35 %1995: 16 %
Ziel der ErtragsphysiologieErzielung hoherEnergieumsetzungsfaktoren bei stabilen Ökosystemen.
Ertragsfaktoren
Vor ca. 3000 Jahren:
Verwendung: Körner als Viehfutter, Rohstoff für
Backwaren, Bier und Breie.10-13% Eiweiß im Korn, davon 3-4% Lysin
Antagonisten der Produktionsverfahren
☻“Schädlinge“ (Insekten, Pilze, Viren…)
☻Konkurrierende Wildkräuter (Arabidopsis thaliana…)
☻Abiotischer Stress (Wasser, Salz, Schadstoffe, Schwermetalle, Licht, UV…)
Produktionsverfahren
1. Mineralstoffdüngung
2. Herbizide
Produktionsverfahren
1. Mineralstoffdüngung
2. Herbizide
COHNSMgKPCaFe
Cohns Margarete kocht prima Caffee
Der Stickstoffkreislauf
N2-Fixierung durch Fabaceen
40 % der Anbaufläche müsste zur Deckung mitErbsen oder Bohnen bebaut werden.
Außerdem…
Ertragsverlust durch N2-Fixierung
Produktionsverfahren
1. Mineralstoffdüngung
2. Herbizide
Produktionsverfahren
1. Mineralstoffdüngung
2. Herbizide
HERBIZIDE
1. Vorlauf-Herbizide(nicht selektiv)
2. Nachlauf-Herbizide(selektiv)
erstes Herbizid (Chloridazon): 2 kg(haheutiges Herbizid (Cycloxydim): 0.2 kg(ha
Wie wird Selektivität erreicht?
Dikotyle Pflanzen (oft Wildkräuter) werden oft geschädigt,monokotyle Pflanzen (z.B. Getreide) sind hingegen resistenter.
Ursachen für erhöhte Empfindlichkeit von Dikotylen:- Die Kutikula schütz Monokotyle besser.- Meristeme sind bei Dikotylen leichter zugänglich.- Blattfläche (Aufnahmefläche) ist bei Dikotylen größer.- Blattstellung bei Dikotylen lässt Lösungen leichter verweilen.
(monocotyl) (dicotyl)
Mechanismen der Herbizidwirkungen
1. Inhibitoren von Zielproteinen2. Bleichherbizide3. Photosynthesehemmstoffe
Beispiel 1: Glutaminsynthetase
Mechanismen der Herbizidwirkungen
1. Inhibitoren von Zielproteinen
Mechanismen der Herbizidwirkungen
2. Bleichherbizide
Hemmung des D1-ProteinHemmung der Photosynthese durch ein Herbizid
Mechanismen der Herbizidwirkungen
3. Photosynthesehemmstoffe
Moderne pflanzliche Biotechnologie
=
Anwendung von Methoden der Molekularbiologie undder Zellbiologie
zur Pflanzenzucht(Verbesserung von Sorten,Züchtung neuer Sorten)
und zum Pflanzenschutz.
Was bedeutet „bessere“ Pflanzen? - Höhere Erträge- höhere Toleranz gegen Umweltfaktoren (Krankheiten,
Trockenheit, …)-höhere Nahrungsmittelqualität (Proteine, Fette)- bessere Lagerqualität- einfachere Handhabbarkeit (Ernte, Transport,
Prozessierung)-attraktiver (Blütenfarbe, Form)
Wichtig-Der ökonomische Aspekt darf nicht vergessen werden, sonst ist die Züchtung (Biotechnologie) schnell „out of business“
Aufgaben der pflanzliche Biotechnologie
Erhöhung des Ertrages
Verbesserung der Qualität
Schutz der Umwelt
Klassische Züchtung war in der Vergangenheitund ist in der Gegenwart enorm erfolgreich beider genetischen Veränderung von Nutzpflanzen.
Ihr Potential wird heute durch Molekularbiologie(= rekombinante DNA-Technologie) ergänzt.
Wie kann man neue Pflanzensorten erzeugen?Wie kann man neue Pflanzensorten erzeugen?
Erzeugung neuer PflanzensortenErzeugung neuer Pflanzensorten
0. Auswahl
1. Traditionelle ZüchtungEine große Zahl von Genen wird gleichzeitig rekombiniert.Es verändern sich viele Eigenschaften in schwer vorher-sagbarer Weise. Nur bei nahen Verwanden (Art).
2. Zellfusion + in vitroPrinzipiell wie bei traditioneller Züchtung, jedoch Erweiterung des Verwandtschaftsgrades.
3. Gentechnologie= rekombinante Gentechnologie.Einzelne oder wenige Gene werden verändert. Ergebnis leichter vorhersehbar. Prinzipiell alle Gene aus allen Organismenverfügbar.
Was sind cisgene Pflanzen ?
Zellfusion
Regeneration isolierter Zellen
Später !!!
Keep smiling! KünstlerKlaus-J. Appenroth
Vorläufiges Programm, interaktiv
1. Einordnung der Biotechnologie als eine
Einführung
2. Der jetzige Stand3. Einige molekularbiologische Grundlagen
4. Biotechnologische Methoden, die man kennen
muss! Teil I
5. Was sind Mutanten und wie werden sie erzeugt?
6. Wie macht man gentechnisch veränderte
Pflanzen?
7. Biotechnologische Methoden, die man kennen
muss! Teil II
8. Umweltaspekte und ethische Erwägungen
9. Biotechnologische Diagnostik