Winzige schwimmende Pflanzen, sogenannte Wasserlinsen, bedecken die Oberflächen von Tümpeln und Teichen weltweit. Sie sind einfach und schnell zu kultivieren, ihre Biomasse verdoppelt sich in nur rund zwei Tagen. Gleichzeitig werden sie zunehmend zu einem Werkzeug für die grundlegende Pflanzenforschung und für die Biotechnologie. Bislang fehlte jedoch ein entscheidendes Instrument: Es gab keine zuverlässige Methode, um Wasserlinsen gezielt genetisch zu verändern. Nun stellt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Arturo Marí-Ordóñez am Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (GMI) ein neues, reproduzierbares Verfahren zur genetischen Transformation von Spirodela, einer Wasserlinsenart, vor und macht sowohl die Protokolle als auch die verwendete Pflanzenlinie öffentlich zugänglich. Die Arbeit erschien in der Fachzeitschrift New Phytologist.

Beliebt bei Enten – und in der Pflanzenbiologie

Wer schon einmal an einem stillen Teich vorbeigegangen ist, hat Wasserlinsen – auch Entengrütze genannt – bereits in Aktion gesehen. Innerhalb weniger Tage teilen und vermehren sich die winzigen Pflanzen und bilden einen grünen Teppich auf der Wasseroberfläche. Im Labor macht sie ihr rasantes Wachstum besonders interessant: Wasserlinsen sind leicht zu kultivieren, benötigen wenig Platz und erlauben es Forschenden, viele Generationen in kurzer Zeit zu beobachten.

In der Grundlagenforschung sind Wasserlinsen für komplexe Pflanzen daher das, was Hefe für Eukaryoten ist – ein schnelles und einfaches Modellsystem. „Wasserlinsen haben viele der komplexen Entwicklungsmerkmale verloren, die man bei anderen Pflanzen findet. Dadurch sind sie für uns ein reduziertes, einfacheres Pflanzensystem,“ sagt Marí-Ordóñez. „Gleichzeitig sind sie einkeimblättrige Blütenpflanzen – wie Mais, Reis, Zwiebeln oder Bananen –, sodass man mit Wasserlinsen bestimmte Aspekte wichtiger Kulturpflanzen untersuchen kann.“ Auch für die Biotechnologie bergen Wasserlinsen großes Potenzial: Ob im Freiland, in Innenräumen oder in vertikalen Anbausystemen – große Mengen an Pflanzenmaterial lassen sich kontinuierlich ernten. Damit kommen Wasserlinsen als pflanzliche „Bioreaktoren“ in Frage, mit denen sich biologische Moleküle im großen Maßstab herstellen ließen.

Ein neues Werkzeug für die Forschung

Was den Einsatz von Wasserlinsen in der Biotechnologie und der Grundlagenforschung aber bislang gebremst hat, war das Fehlen einer zuverlässigen Methode für gezielte genetische Veränderungen. Ohne ein solches Verfahren konnten Forschende Transgene nicht konsistent einbringen, keine gezielten Mutationen erzeugen und auch keine Marker wie GFP hinzufügen, um Proteine zu beobachten oder genetisch veränderte Pflanzen nachzuverfolgen. Marí-Ordóñez und sein Team am GMI haben mehrere Jahre damit verbracht, ein entsprechendes Protokoll für Spirodela, eine Wasserlinsenart, zu entwickeln und zu verfeinern.

Um Mutationen oder Markierungen in Pflanzen wie Spirodela einzubringen, setzen Forschende auf die genetische Transformation – einen mehrstufigen Prozess, der damit beginnt, die Pflanzen mit den richtigen Hormonen zu kultivieren, bis sie einen Kallus bilden, also eine Masse undifferenzierter, sich schnell teilender Zellen. Da sich Kalluszellen aktiv teilen, bieten sie ein Zeitfenster, um neues genetisches Material einzuschleusen. Das geschieht meist mithilfe von Bakterien, die DNA in die Zellen übertragen. Anschließend werden die Zellen dazu gebracht, sich wieder zu einer vollständigen Pflanze zu regenerieren, die das neu eingefügte oder veränderte Gen enthält.

„Unsere erste Herausforderung war es, eine Pflanzenlinie zu finden, die effizient einen Kallus bildet und sich anschließend zuverlässig regeneriert,“ erklärt Marí-Ordóñez. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Shuqing Xu an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz identifizierten die Teams eine Linie, die sich dabei besonders gut eignet. Diese Spirodela-Linie haben die Forschenden nun der gesamten Community zugänglich gemacht, indem sie die Linie in öffentlichen Wasserlinsen-Sammlungen hinterlegt haben, von denen andere Labore sie anfordern können.

Neue Forschungsperspektiven

Während der gesamten Studie lag der Fokus von Marí-Ordóñez und seinem Team darauf, Methoden zu testen und zu etablieren, die auch andere Forschende nutzen können. Deshalb optimierten sie alle Schritte der genetischen Transformation und entwickelten daraus ein neues Protokoll. Um die Reproduzierbarkeit zu überprüfen, arbeiteten sie mit der Gruppe von Meret Huber, ebenfalls an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, zusammen, die ebenfalls an der genetischen Transformation von Wasserlinsen interessiert war. Indem sie das Protokoll Schritt für Schritt befolgte, konnte die Gruppe die genetische Transformation unabhängig erfolgreich durchführen und identifizierte zugleich Punkte, an denen sich das Verfahren weiter verbessern und verfeinern ließ. So entstand gemeinsam eine robustere Methodik. Der Nachweis, dass die Methode auch außerhalb des ursprünglichen Labors zuverlässig funktioniert, war ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer breiten Anwendbarkeit. „Wir haben das Protokoll so gestaltet, dass andere Labore nicht jahrelang mühsam herumprobieren müssen, wie wir es taten,“ sagt Marí-Ordóñez.

Auf dieser Grundlage gelang es dem Team, CRISPR-basierte Genomeditierung in Spirodela zu etablieren. Dafür wurde das Genom der Pflanzenlinie sequenziert, zugänglich aufbereitet und mit Werkzeugen ergänzt, die gezielte Mutationen und Eingriffe in die Genexpression ermöglichen. „Das sollte Wasserlinsen für einen größeren Kreis von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zu einem attraktiven und gut zugänglichen Forschungsmodell machen,“ ergänzt Marí-Ordóñez. In der Grundlagenforschung möchte er nun verstehen, warum Spirodela fremde Gene vorübergehend deutlich länger exprimieren kann, als dies bei Pflanzen üblicherweise der Fall ist. Parallel dazu arbeitet das Team mit Gruppen zusammen, die Wasserlinsen zur Herstellung pharmazeutisch interessanter Moleküle nutzen möchten. „Diese Methoden eröffnen neue Möglichkeiten,“ sagt Marí-Ordóñez, „sowohl für die Erforschung grundlegender pflanzenbiologischer Fragen als auch für biotechnologische Anwendungen mit Wasserlinsen.“