| dc.contributor.advisor | Spiller, Achim Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Modrzejewski, Dominik | |
| dc.date.accessioned | 2020-11-27T13:12:22Z | |
| dc.date.available | 2020-11-27T13:12:22Z | |
| dc.date.issued | 2020-11-27 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-1506-D | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8324 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 630 | de |
| dc.title | Evidence synthesis on the impact of genome editing on plant breeding | de |
| dc.type | cumulativeThesis | de |
| dc.contributor.referee | Wilhelm, Ralf Dr. | |
| dc.date.examination | 2020-07-15 | |
| dc.description.abstractger | Genome Editing ist ein Sammelbegriff für mehrere molekularbiologische Techniken, mit denen gezielt Veränderungen in ganz bestimmten Abschnitten der DNA herbeigeführt werden können. Der große Vorteil von Genome Editing liegt in der einfachen, zeitsparenden und kostengünstigen Anwendung verglichen zu konventionellen Pflanzenzüchtungstechniken. Trotzdem wird in der Landwirtschaftsbranche sehr kontrovers über dessen Nutzen diskutiert und auch darüber, inwieweit das Auftreten von unbeabsichtigten off-target Effekten relevant ist. Off-target Effekte können auftreten, wenn der DNA Strang an unbeabsichtigten Stellen im Genom geschnitten wird, die ähnlich, aber nicht identisch zur Zielsequenz sind. Das Ziel dieser Arbeit bestand in einer systematischen Literaturrecherche über mögliche Auswirkungen des Genome Editing in Pflanzen. Dazu wurde ein mehrstufiger konzeptioneller Ansatz gewählt. In einem ersten Schritt wurde ein Protokoll entwickelt, um einen stringenten, transparenten und klar definierten Review Prozess zu gewährleisten. Auf dessen Grundlage wurde eine Systematic Map erstellt, um einen umfassenden Überblick der zur Verfügung stehenden Literatur über mögliche Anwendungen des Genome Editing und das Auftreten von off-target-Effekten zu bekommen. Die Ergebnisse der Map zeigen, dass, obwohl die meisten Studien als Grundlagenforschung einzuordnen sind, bereits annährend 100 marktorientierte Anwendungen in 28 verschiedenen Kulturen publiziert wurden. Diese Pflanzen zeigten verbesserte Nahrungs- und Futtermittelqualitäten, verbesserte Wachstumseigenschaften oder Ertragssteigerungen, erhöhte Toleranz gegen biotischen und abiotischen Stress, Herbizidtoleranzen oder einen erhöhten industriellen Nutzen. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass die meisten off-target Studien mit der CRISPR/Cas Technik durchgeführt wurden. Der vorherrschende Ansatz zur Identifizierung von off-target Effekten war die „biased detection method“, bei der lediglich Stellen im Genom, die ähnlich zur Zielsequenz sind, gezielt auf ungewollte Mutationen hin untersucht werden. Mehrere Studien wurden identifiziert, in denen off-target Effekte nachgewiesen wurden. Darüber hinaus wurde eine große Heterogenität der off-target Studien bezüglich der methodischen Durchführung und der Art der Analyse der off-target Sequenzen festgestellt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde ein Systematic Review durchgeführt, mit dem Ziel Faktoren zu identifizieren und zu analysieren, die das Auftreten von off-target-Effekten beeinflussen. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass eine höhere Anzahl an Fehlpaarungen („Mismatches“) zwischen der Zielsequenz und ähnlichen potentiellen off-target Sequenzen das Auftreten von off-target Effekten signifikant verringern. Die beobachtete off-target-Rate sank von 59% bei der Tolerierung eines Mismatches auf nahezu 0% bei vier oder mehr Mismatches. Darüber hinaus verringern Mismatches, die sich innerhalb der ersten acht Nukleotide zur PAM befinden, das Auftreten von off-target-Effekten signifikant. Auch ist eine Tendenz erkennbar, dass nebeneinanderliegende Mismatches die Wahrscheinlichkeit von off-target Effekten erhöhen. Dagegen lässt sich basierend auf der Datenlage kein Zusammenhang zwischen dem GC-Gehalt des Protospacers und dem Auftreten von off-target Effekten feststellen. Bezüglich der verwendeten Nuklease und der Art und Weise, wie das CRISPR/Cas Konstrukt in die Zelle integriert wird, ist die Datenlage nicht ausreichend, um belastbare Aussagen über deren Einfluss auf das Auftreten von off-target Effekten zu treffen. Um das Risiko von off-target Effekten auf ein Minimum zu reduzieren, sollten Zielsequenzen ausgewählt werden, die sich in mindestens vier nicht nebeneinanderliegenden Positionen von ähnlichen Sequenzen im Genom unterscheiden. | de |
| dc.description.abstracteng | Genome editing techniques such as CRISPR/Cas, TALENs, Zinc-Finger Nucleases, Meganucleases, Oligonucleotide-Directed Mutagenesis and Base editing enable a targeted modification of DNA sequences in a site-directed manner. Despite their simple, time-saving and cost-effective use, there is an ongoing debate about their precise targeting and the extent to which off-target effects occur and matter. Off-target effects are unintended cleavage and mutations at untargeted genomic sites showing similar but not identical sequences compared to the target one. The number of research articles about genome editing in plants is increasing rapidly and evidence synthesis of these articles play an important role in controlling the rapidly expanding evidence base and contributing to evidence-based decision-making. The overall objective of this study was to systematically synthesize and evaluate the evidence on the impact of genome editing in plants. For this purpose, a multi stage conceptual approach was chosen. In a first step, a protocol was developed in order to make the review process more rigorous, transparent and well-defined as well as to minimize reviewer bias. Based on the protocol a systematic map was conducted aiming to provide a comprehensive overview on the applications of genome editing and the potential occurrence of associated off-target effects. The main findings of this map are that although most of the studies are categorized as basic research, nearly 100 market-oriented applications were identified in 28 different crops leading to plants with improved food and feed quality, agronomic value like growth characteristics or increased yield, tolerance to biotic and abiotic stress, herbicide tolerance or industrial benefits. Results further indicate that the large majority of off-target studies were conducted using CRISPR/Cas. Biased detection methods are the dominant approach to detect off-target effects, meaning that potential off-target sequences are first predicted using bioinformatics programs followed by targeted sequencing of these sites to track the occurrence of off-target effects. Off-target effects were detected in several studies. However, studies investigating potential off-target sequences are very heterogeneous in their structure and design. Based on these findings, the objective of the follow up systematic review was to identify and systematically analyze factors that may affect the occurrence of off-target effects. Results of the analysis clearly indicate that an increased number of mismatches between the on-target and potential off-target sequence significantly decreases the occurrence of off-target effects. The observed off-target rate decreases from 59% when there was one mismatch between the on-target and potential off-target sequence towards 0% when at least four mismatches exist. In addition, mismatch/es located within the first eight nucleotides proximal to the PAM significantly decrease the occurrence of off-target effects and there is a tendency that adjoined mismatches increase the likelihood of off-target effects. There was no clear indication that the occurrence of off-target effects shows an obvious trend in relation to the GC-content of the protospacer sequence. Regarding the nuclease variant and the delivery method the given data base is considerably poor, as the large majority of studies applied the standard nuclease SpCas9 and the CRISPR/Cas system was stably delivered in the genome. Only a limited number of studies applied altered nuclease variants and delivery methods. Hence, a general significant impact of the nuclease variants and the delivery method on the occurrence of off-target effects cannot be proved. Based on the results of this study, in order to minimize off-target effects, it is recommended to select a target sequence which differs in at least four disjunct positions from similar genomic sequences. | de |
| dc.contributor.coReferee | Mahlein, Anne-Katrin Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Scholten, Stefan Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Genome Editing | de |
| dc.subject.eng | CRISPR/Cas | de |
| dc.subject.eng | Off-target | de |
| dc.subject.eng | Systematic Map | de |
| dc.subject.eng | Systematic Review | de |
| dc.subject.eng | New plant breeding technique | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-1506-D-1 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Agrarwissenschaften | de |
| dc.subject.gokfull | Land- und Forstwirtschaft (PPN621302791) | de |
| dc.identifier.ppn | 1741436435 | |