Biotechnologische Ansätze zur Ertragssteigerung in transgenen Kartoffeln (Solanum tuberosum) durch Manipulation der source/sink-Beziehung

Der universelle Rohstoff Stärke hat sowohl für die Nahrungsmittelindustrie als auch für die industrielle Verarbeitung einen hohen Stellenwert, wodurch die Anforderungen an Rohstoffpflanzen immer größer werden. In Deutschland ist die Kartoffelpflanze ein wichtiger Stärkelieferant. Daher besteht ein Ziel der biotechnologischen Forschung darin, deren Stärkeertrag pro Pflanze zu erhöhen. In der vorliegenden Arbeit sollte durch Analysen dreifach transgener Kartoffelpflanzen untersucht werden, ob die gleichzeitige Erhöhung von source und sink Kapazität zu Ertragssteigerungen führt. Es wurden zwei unterschiedliche Ansätze zur Erhöhung der source Kapazität verwendet, zum einen die blattspezifische Repression der StAGPase und zum anderen die mesophyllspezifische Überexpression der EcPPase. Die Erhöhung der sink Kapazität erfolgte durch simultane knollenspezifische Überexpression des PsGPT und AtNTT, was bereits in früheren Studien zu Ertragssteigerungen in Kartoffelpflanzen führte (Zhang et al., 2008). Die AGN- und PGN-Pflanzen zeigten in Gewächshausanzuchten eindeutige Ertragsteigerungen im Vergleich zum Wildtyp und zu der zweifach transgenen Linie, deren sink Stärke erhöht ist. Der Knollenertrag war in den AGN-Linien um durchschnittlich 62%, der Stärkegehalt in Knollen um durchschnittlich 47% und der Stärkeertrag 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 Stärkegehalt in Knollen um durchschnittlich 46% und der Stärkeertrag von Kartoffelknollen pro Pflanze durchschnittlich um den Faktor 2,5 im Vergleich zum Wildtyp erhöht. Diese Steigerungen lassen sich dadurch erklären, dass in den dreifach transgenen Pflanzen der Assimilatfluss in die Saccharosesynthese erfolgreich erhöht wurde, was eine erhöhte Zuckerexportkapazität zeigte. Dieser erhöhte Zuckerexport konnte in die sink Organe weitergeleitet werden und hatte zudem einen reduzierten Assmilatfluss in die Blattstärkesynthese und dadurch reduzierte Blattstärkegehalte zur Folge. Diese Erkenntnisse konnten für die AGN-Pflanzen in einer Beetanzucht unter freilandähnlichen Bedingungen bestätigt werden. Als Konsequenz der verbesserten Verfügbarkeit 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 Stärkesynthase hinweist. Entwicklungs-abhängige Analysen der AGN-Pflanzen deuten darauf hin, dass die photosynthetische Aktivität in AGN-Pflanzen länger aufrechterhalten bleibt und die Pflanzen sich länger in der Speicherphase befinden. Es konnte gezeigt werden, dass die gleichzeitige Erhöhung von source und sink Kapazität in Kartoffelpflanzen zu eindeutigen Ertragssteigerungen führt, was nicht nur für die Ertragssteigerung in der Kartoffelpflanze von großem biotechnologischem Interesse sein könnte, sondern auch für 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