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Biotechnologische AnsÀtze zur Ertragssteigerung in transgenen Kartoffeln (Solanum tuberosum) durch Manipulation der source/sink-Beziehung
Der universelle Rohstoff StĂ€rke hat sowohl fĂŒr die Nahrungsmittelindustrie als auch fĂŒr die industrielle Verarbeitung einen hohen Stellenwert, wodurch die Anforderungen an Rohstoffpflanzen immer gröĂer werden. In Deutschland ist die Kartoffelpflanze ein wichtiger StĂ€rkelieferant. Daher besteht ein Ziel der biotechnologischen Forschung darin, deren StĂ€rkeertrag pro Pflanze zu erhöhen.
In der vorliegenden Arbeit sollte durch Analysen dreifach transgener Kartoffelpflanzen untersucht werden, ob die gleichzeitige Erhöhung von source und sink KapazitĂ€t zu Ertragssteigerungen fĂŒhrt. Es wurden zwei unterschiedliche AnsĂ€tze zur Erhöhung der source KapazitĂ€t verwendet, zum einen die blattspezifische Repression der StAGPase und zum anderen die mesophyllspezifische Ăberexpression der EcPPase. Die Erhöhung der sink KapazitĂ€t erfolgte durch simultane knollenspezifische Ăberexpression des PsGPT und AtNTT, was bereits in frĂŒheren Studien zu Ertragssteigerungen in Kartoffelpflanzen fĂŒhrte (Zhang et al., 2008). Die AGN- und PGN-Pflanzen zeigten in GewĂ€chshausanzuchten eindeutige Ertragsteigerungen im Vergleich zum Wildtyp und zu der zweifach transgenen Linie, deren sink StĂ€rke erhöht ist. Der Knollenertrag war in den AGN-Linien um durchschnittlich 62%, der StĂ€rkegehalt in Knollen um durchschnittlich 47% und der StĂ€rkeertrag von Kartoffelknollen pro Pflanze durchschnittlich um den Faktor 2,4 im Vergleich zum Wildtyp gesteigert. In den PGN-Linien war der Knollenertrag um durchschnittlich 67%, der StĂ€rkegehalt in Knollen um durchschnittlich 46% und der StĂ€rkeertrag von Kartoffelknollen pro Pflanze durchschnittlich um den Faktor 2,5 im Vergleich zum Wildtyp erhöht. Diese Steigerungen lassen sich dadurch erklĂ€ren, dass in den dreifach transgenen Pflanzen der Assimilatfluss in die Saccharosesynthese erfolgreich erhöht wurde, was eine erhöhte ZuckerexportkapazitĂ€t zeigte. Dieser erhöhte Zuckerexport konnte in die sink Organe weitergeleitet werden und hatte zudem einen reduzierten Assmilatfluss in die BlattstĂ€rkesynthese und dadurch reduzierte BlattstĂ€rkegehalte zur Folge. Diese Erkenntnisse konnten fĂŒr die AGN-Pflanzen in einer Beetanzucht unter freilandĂ€hnlichen Bedingungen bestĂ€tigt werden. Als Konsequenz der verbesserten VerfĂŒgbarkeit von ADP-Glukose in Knollen, aufgrund des erhöhten Imports von Glukose-6-Phosphat und ATP, konnte ein erhöhter Amylosegehalt in Knollen detektiert werden, was auf eine erhöhte Leistung der granagebundenen StĂ€rkesynthase hinweist. Entwicklungs-abhĂ€ngige Analysen der AGN-Pflanzen deuten darauf hin, dass die photosynthetische AktivitĂ€t in AGN-Pflanzen lĂ€nger aufrechterhalten bleibt und die Pflanzen sich lĂ€nger in der Speicherphase befinden.
Es konnte gezeigt werden, dass die gleichzeitige Erhöhung von source und sink KapazitĂ€t in Kartoffelpflanzen zu eindeutigen Ertragssteigerungen fĂŒhrt, was nicht nur fĂŒr die Ertragssteigerung in der Kartoffelpflanze von groĂem biotechnologischem Interesse sein könnte, sondern auch fĂŒr andere Nutzpflanzen
Simultaneous boosting of source and sink capacities doubles tuber starch yield of potato plants
An important goal in biotechnological research is to improve the yield of crop plants. Here, we genetically modified simultaneously source and sink capacities in potato (Solanum tuberosum cv. Desiree) plants to improve starch yield. Source capacity was increased by mesophyll-specific overexpression of a pyrophosphatase or, alternatively, by antisense expression of the ADP-glucose pyrophosphorylase in leaves. Both approaches make use of re-routing photoassimilates to sink organs at the expense of leaf starch accumulation. Simultaneous increase in sink capacity was accomplished by overexpression of two plastidic metabolite translocators, that is, a glucose 6-phosphate/phosphate translocator and an adenylate translocator in tubers. Employing such a pull approach, we have previously shown that potato starch content and yield can be increased when sink strength is elevated. In the current biotechnological approach, we successfully enhanced source and sink capacities by a combination of pull and push approaches using two different attempts. A doubling in tuber starch yield was achieved. This successful approach might be transferable to other crop plants in the future