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Transporting micronutrients more efficiently- ETH researchers have genetically modified a key variety of rice, making it very efficient at enriching its grains with iron and zinc
Reis gegen Eisen- und Zinkmangel - ETH-Forschende haben eine wichtige Reissorte genetisch so modifiziert, dass diese effizienter Eisen und Zink in ihren Reiskörnern anreichert


Zurich, Switzerland
June 12, 2018

In the greenhouse, the genetically modified rice enriched sufficient quantities of iron and zinc in the grains. (Image: Navreet Bhullar / ETH Zurich)

A team of researchers led by Navreet Bhullar from the Institute of Molecular Plant Biology at ETH Zurich has genetically modified one of the most commonly grown varieties of rice. The advantage over the original variety is that these plants are better at mobilising their cellular stores of zinc and iron and depositing in the white part of the rice grain (known as endosperm). This means that the micronutrients are transported and concentrate there. The ETH researchers are the first to explore this aspect of cellular transport mechanisms of iron and zinc to enrich rice with micronutrients.

To achieve this enrichment, Bhullar and her team incorporated a genetic construct expressing a combination of three additional genes into the rice plants. One of these genes facilitates mobilisation of iron stored in the plant vacuoles, another encodes for an iron-storing protein Ferritin, and the third promotes efficient iron and zinc uptake by the roots.

Last year, the same team of researchers established a proof of concept in combining three nutritionally relevant traits in one rice line, namely iron, zinc and β-carotene were increased simultaneously in the rice grains (as reported on ETH News).

High levels of micronutrients achieved

As recommended by the Consultative Group on International Agricultural Research (CGIAR), 15 μg/g dry weight (DW) iron and 28 μg/g DW zinc in polished grains are required to provide 30% of the dietary estimated average requirement (EAR). In the latest work, the ETH researchers developed rice lines with iron increases equaling more than 90% of the recommended iron content and up to 170% of the recommended content for zinc in rice grains.

These plants have so far been tested in the lab and greenhouse conditions, and it remains to be tested whether they perform similarly under field conditions. The new lines are foreseen to be tested in field experiments in the near future.

“First we have to confirm that the plants retain similar levels of zinc and iron in the grains under the field conditions. Once we’ve done that, we should assess the bioavailability of these increased nutrients for humans. It can take years before these modified varieties of rice may reach to the public,” says Bhullar.

The perfect goal for nutrient enrichment

Rice is a staple food for half the people on the planet. Typically, only the polished grains of rice are eaten. Unfortunately, the most widely grown rice varieties contain only a fraction or completely lack many vital nutrients in the grains. Most of the commercially-bred rice varieties contain only around two μg/g iron in the endosperm. This explains why micronutrient deficiencies are common in countries where rice provides a major share of the daily calories.

Nearly 1.6 billion people in the world are affected by anemia, to which iron deficiency anemia contributes significantly and zinc deficiency is also reported to affect one-third of the world’s population. Iron deficiency can lead to, among other things, anemia and zinc deficiency to a compromised immune system. Rice biofortification is therefore a sustainable approach to improving the health of the affected populations globally.

Reference

Wu T-Y, Gruissem W, Bhullar NK. Targeting intra‐cellular transport combined with efficient uptake and storage significantly increases grain iron and zinc levels in rice. Plant Biotechnology Journal, first published: 07 May 2018. doi: 10.1111/pbi.12943


Reis gegen Eisen- und Zinkmangel - ETH-Forschende haben eine wichtige Reissorte genetisch so modifiziert, dass diese effizienter Eisen und Zink in ihren Reiskörnern anreichert

Ein Team von Forschenden um Navreet Bhullar vom Institut für molekulare Pflanzenbiologie der ETH Zürich hat zwei der häufigsten Reissorten der Welt, Nipponbare und IR64, genetisch verändert, und zwar so, dass die Pflanzen Zink und Eisen aus zellulären Speichergefässen, den Vakuolen, besser mobilisieren. Die beiden Mineralstoffe werden dann in den inneren, weissen Teil des Reiskorns befördert und dort angereichert.

Weltweit leiden rund 1,6 Milliarden Menschen unter Blutarmut, davon ist ein hoher Anteil auf Eisenmangel zurückzuführen. Von Zinkmangel, der zu einem geschwächten Immunsystem führt, ist weltweit ein Drittel der Menschheit betroffen. Reis ist für die Hälfte der Menschheit ein Grundnahrungsmittel und enthält sowohl Eisen als auch Zink. In der Regel wird jedoch nur das polierte Korn verzehrt, das meist kaum oder gar keine lebenswichtigen Nährstoffe enthält. Deshalb will Bhullars Team die Mikronährstoffe im Endosperm, also im polierten Korn, erhöhen.

Drei Gene machen den Unterschied

Die ETH-Forschenden sind die ersten, die nun den Hebel bei den zellulären Transportmechanismen der beiden Mineralstoffe ansetzen, um so das Reiskorn damit anzureichern.

Um dies zu bewerkstelligen, bauten die ETH-Forschenden Reispflanzen ein Genkonstrukt ein, das eine Kombination von drei zusätzlichen Gene exprimiert. Eines der Gene mobilisiert das in den Pflanzenvakuolen gespeicherte Eisen. Ein weiteres Gen exprimiert das eisenspeichernde Protein Ferritin, und das Dritte fördert die effiziente Eisen- und Zinkaufnahme durch die Wurzeln.

Bereits vor einem Jahr präsentierte dieselbe ETH-Gruppe eine Reislinie, in deren Körnern gleichzeitig der Gehalt der Mikronährstoffe Eisen, Zink und Beta-Karotin erhöht wurde.

Wie von der Consultative Group on International Agricultural Research (CGIAR) empfohlen, sind 15 Mikrogramm Eisen und 28 Mikrogramm Zink pro Gramm Trockengewicht von polierten Körnern nötig, um einen knappen Drittel des geschätzten durchschnittlichen Nahrungsbedarfs zu decken. In ihrer jüngsten Arbeit entwickelten die ETH-Forschenden Reissorten, bei denen der Eisengehalt in den polierten Körner bei über 13 Mikrogramm pro Gramm Trockengewicht liegt – was mehr als 90 Prozent der von der CGIAR empfohlenen Zielmenge entspricht. Den Zinkgehalt erreichte teilweise sogar 170 Prozent des angestrebten Ziels.

Kontrollierte Freilandversuche geplant

Die Pflanzen wurden bisher erst unter Labor- und Gewächshausbedingungen getestet. Ob der genetisch modifizierte Reis auch im Freiland ähnlich effizient ist, wird Navreet Bhullar deshalb in naher Zukunft im Freiland prüfen.

«Wir müssen zuerst feststellen, dass die Pflanzen auch unter Freilandbedingungen in ihren Körnern entsprechende Mengen von Eisen und Zink einlagern», betont die Forscherin. «Danach wollen wir untersuchen, ob die angereicherten Mineralstoffe für den Menschen überhaupt verfügbar sind», Diese Untersuchungen würden Jahre beanspruchen, ehe die neuen Reissorten zum Anbau freigegeben werden könnten.

Literaturhinweis

Wu T-Y, Gruissem W, Bhullar NK. Targeting intra‐cellular transport combined with efficient uptake and storage significantly increases grain iron and zinc levels in rice. Plant Biotechnology Journal, first published: 07 May 2018. doi: 10.1111/pbi.12943     

 



More news from: ETH Zurich (Swiss Federal Institute of Technology Zürich)


Website: http://www.ethz.ch

Published: June 12, 2018

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