Studie untersucht die harte Realität, dass kein Pollen keine Samen bedeutet

Forschern der North Carolina State University ist es gelungen, ein wichtiges Gen von einem Kompartiment einer Pflanzenzelle in ein anderes zu übertragen, um Tabakpflanzen zu produzieren, denen Pollen und lebensfähige Samen fehlen, die ansonsten aber normal wachsen. Ihre Erkenntnisse könnten zu besseren Methoden zur Produktion von Hybridsaatgut führen, um die Ernteproduktivität zu maximieren, oder zur Einführung von Kernlosigkeit bei Obstarten, denen das oft gewünschte Merkmal fehlt, wie etwa Himbeeren, Brombeeren oder Muscadine-Trauben.

Die Forscher begannen mit der Arbeit im energieproduzierenden Teil einer Zelle, den Mitochondrien. Bei Pflanzen können Abweichungen im mitochondrialen Genom mit der Unfähigkeit, Pollen zu produzieren, verbunden sein. Diese Eigenschaft ist als zytoplasmatische männliche Sterilität (CMS) bekannt und wurde erfolgreich für die Produktion ertragreicher Hybridsamen in vielen wichtigen Nutzpflanzen genutzt. Natürlich vorkommende CMS-basierte Systeme, die robust genug sind, um die Produktion von Hybridsaatgut im kommerziellen Maßstab zu ermöglichen, sind jedoch begrenzt.

In ihrer Proof-of-Concept-Studiesetzten die Forscher des NC State zusammen mit Kollegen von Precision BioSciences und Elo Life Systems eine einzigartige Strategie ein, um zu testen, ob das CMS-Merkmal in Tabak erzeugt werden kann, einer häufig verwendeten Modellart in der Pflanzenforschung.

Die Forscher nahmen zunächst ein essentielles mitochondriales Gen namens atp1 und transportierten es in den Zellkern, nachdem sie es unter die regulatorische Kontrolle eines Elements – eines sogenannten Promotors – gestellt hatten, von dem sie vorhersagten, dass es die Expression des übertragenen atp1-Gens in jeder Zelle der Pflanze ermöglichen würde mit Ausnahme derjenigen, die für die Pollenproduktion verantwortlich sind. Anschließend verwendeten die Forscher Tools zur Genombearbeitung, um das native atp1-Gen dauerhaft aus den Mitochondrien zu entfernen.

Ihr Ansatz war erfolgreich.

„Die Ergebnisse haben unsere Erwartungen übertroffen“, sagte Ralph Dewey, Philip Morris-Professor für Nutzpflanzenwissenschaften an der NC State und korrespondierender Autor eines Artikels, der die Forschung beschreibt. „Die Pflanzen sahen bis zu ihrem Beginn der Blüte völlig normal aus, produzierten dann aber keinen Pollen mehr, da das übertragene atp1-Gen nicht mehr exprimiert wurde. Wichtig ist, dass das Merkmal mütterlicherseits vererbt wird, da das ursprüngliche atp1-Gen aus dem mitochondrialen Genom gelöscht wurde.“ Dies ist ein entscheidender Gesichtspunkt für die Produktion von Hybridsaatgut im großen Maßstab.“

Pollen waren nicht das einzige Opfer dieser Technik. Bei der gegenseitigen Befruchtung mit Pollen einer benachbarten normalen Pflanze produzierten ihre Tabakpflanzen unerwartet kleine, hohle Samen, ähnlich denen, die man in beliebten „kernlosen“ Früchten wie Wassermelonen und Weintrauben sieht.

„Das liegt daran, dass der Promotor, den wir ausgewählt haben, nicht nur während der Pollenbildung, sondern auch während der frühen Samenentwicklung nicht exprimiert wurde“, sagte Dewey.

Dewey sagte, sein Team arbeite nun daran, diese Ergebnisse zu entkoppeln, damit Forscher entweder Pollenunfruchtbarkeit oder nur das kernlose Merkmal erreichen können, anstatt beides gleichzeitig.

Dewey betonte auch, dass die Ergebnisse nicht auf Tabakpflanzen beschränkt sein sollten. Ihre nächste Generation von Experimenten wird das Testen des kernlosen Merkmals bei Tomaten, einem nahen Verwandten von Tabak, umfassen. Sie werden ihr neuartiges CMS-Merkmal auch in einem Getreide wie Reis testen, um die Wirksamkeit ihres Systems in einer Kulturpflanze zu testen, in der die Hybridsaatgutproduktion für die Erzielung maximaler Erträge wichtig ist.

„Wenn wir die Funktionsweise des Systems kennen, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass wir die Technologie nicht effektiv auf andere Pflanzenarten übertragen könnten“, sagte er.

Die Studie erscheint in Grenzen der Pflanzenwissenschaft.