Berechnung der Kosten mehrerer Switchgrass-Genkopien

Ein Kooperationsteam unter der Leitung von Forschern der University of Texas (UT) in Austin, des HudsonAlpha Institute for Biotechnology (HudsonAlpha) und des Joint Genome Institute (JGI) des US-Energieministeriums (DOE), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, hat entdeckt, dass sich der Kandidat für das Bioenergie-Rohstoff Switchgrass angepasst hat, um seinen Lebensraumbereich zu erweitern, aber zu welchem ​​Preis? Im folgenden Gastbeitrag skizzieren der Postdoktorand Joseph Napier vom Juenger-Labor und der Computerbiologe Paul Grabowski von HudsonAlpha die Fragen, die sie in der kürzlich erschienenen Studie gestellt – und beantwortet – haben Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Switchgrass, Panicum virgatum, ist ein weit verbreitetes, mehrjähriges Gras in Nordamerika, das aufgrund seines Potenzials zur Wiederherstellung von Lebensräumen und als Ausgangsmaterial für die Produktion von Biokraftstoffen auf Biomassebasis das Ziel umfangreicher natürlicher Probenahmen und Feldversuche war. Wie bei vielen häufig angebauten Nutzpflanzen wie Weizen, Erdnüssen, Hafer, Bananen, Kartoffeln usw. zu sehen ist, ist Rutenhirse polyploid. Das heißt, es enthält mehr als zwei Kopien des Genoms, was ausgeprägte ökologische und evolutionäre Folgen haben kann.

EIN vorheriges Studium Eine von unserem Forschungsteam durchgeführte Untersuchung der genomischen und phänotypischen Vielfalt im natürlichen Verbreitungsgebiet von Switchgrass ergab, dass Polyploidie das Anpassungspotenzial von Switchgrass verbessert hat und eine Schlüsselkomponente bei der Bereitstellung genetischer Variationen ist, die für die Auswahl verfügbar sind, um den Biokraftstoffertrag in einer sich verändernden Zukunft zu verbessern. Switchgrass hat mehrere natürlich vorkommende Ploidiestufen, sogenannte Zytotypen, über die Arten hinweg. Dies sind hauptsächlich Tetraploide (4X oder vier Kopien des Genoms) und Oktoploide (8X oder acht Kopien des Genoms).

Lovell et al. konzentrierte sich auf die 4X-Sorte, vor allem, weil sie bei den Züchtungsbemühungen priorisiert wurde, und auch, weil allgemein angenommen wird, dass 8X-Switchgrass weniger genetische und phänotypische (sichtbare Merkmale) Vielfalt aufweist. Nachdem unser Team die Analyse der Diversität in 4X-Switchgrass abgeschlossen hatte, waren wir überrascht von der Anzahl von 8X-Individuen, die bei der Feldarbeit gesammelt wurden. Betrachtet man die vollständige Verbreitung von Switchgrass auf einer Karte, kamen diese 8X-Individuen in Teilen des Switchgrass-Bereichs vor, in denen 4X merklich fehlte (siehe Abbildung rechts).

Dieses Muster stellte die Vorstellung in Frage, dass 8X Switchgrass eine unauffällige, homogene Gruppe sei, und warf mehrere wichtige Fragen auf. Woher kam die 8X-Variante? Sind sie mehrfach aufgetreten oder deutet ihre weite Verbreitung auf mehrere, voneinander unabhängige Entstehungsereignisse hin? Reagieren die Zytotypen unterschiedlich auf die Umwelt? Wir haben uns vorgenommen, diese Fragen zu untersuchen und das Rätsel hinter den beobachteten 8X-Switchgrass-Mustern zu lösen. Dabei hofften wir auch, diese einzigartige Gelegenheit nutzen zu können, um zu quantifizieren, wie Übergänge zu höherer Ploidie diese beobachteten Muster erzeugen könnten. Da viele andere Pflanzenarten eine natürliche Variation des Zytotyps aufweisen, hofften wir auch, dass uns dies auf breiterer Ebene ermöglichen würde, zu beurteilen, wie die Ploidie-Variation die genomische Vielfalt, Fitness und Anpassungsfähigkeit verändert.

Unter Verwendung einer Kombination aus genomischen, quantitativen genetischen, Landschafts- und Nischenmodellierungsansätzen haben wir die Diversität von 4X- und 8X-Switchgrass über Hunderte von natürlich vorkommenden Genotypen (in diesem Fall die gesamte genetische Ausstattung einer Pflanze) und 10 gemeinsame Gärten verglichen. Wir entdeckten, dass 8X-Populationen mehrfach aus unterschiedlichen genetischen Hintergründen entstanden sind und dass diese 8X-Populationen neuartige Kombinationen genetischer Vielfalt enthalten. Wir haben auch festgestellt, dass ein Großteil der Variation der physikalischen Eigenschaften, die bei 4X-Switchgrass zu sehen ist, auch beim 8X-Zytotyp beobachtet wird. Die 4X- und 8X-Zytotypen unterscheiden sich jedoch in ihrer Reaktion auf Klimaschwankungen zwischen den gemeinsamen Gärten, was auf einen Kompromiß zwischen Generalisten (8X) und Spezialisten (4X) hinweist. Darüber hinaus deutet die Nischenmodellierung auf eine Nischenentwicklung zwischen 4X und 8X hin, die mit der Klimaanpassung verbunden ist. Insgesamt weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass die 8X eine einzigartige Kombination genetischer Variationen darstellen, die die Erweiterung der ökologischen Nische von Rutenhirse ermöglicht hat. Das aus 8X Switchgrass gewonnene Wissen ist eine wertvolle Ressource für die Bemühungen, klimaresistentes Switchgrass für die Bioenergieproduktion zu erzeugen.

Aufbauend auf dem Rahmen unseres neuen Switchgrass-Manuskripts planen wir, vorhandene Daten zu nutzen und zusätzliche genomische Ressourcen zu generieren, um langjährige evolutionsökologische Hypothesen darüber zu untersuchen, wie mehrjährige C4-Gräser wie Switchgrass auf ausgeprägte Klimaveränderungen reagieren. (C4-Pflanzen verwenden eine effizientere Form der Photosynthese, die den Wasserverlust im Vergleich zu dem von den meisten Pflanzenarten verwendeten Prozess reduziert.) Verstehen, wie das Zusammenspiel zwischen Genfluss, Populationsstatistik und Anpassung die Reaktion von Switchgrass auf vergangene Klimaveränderungen bewirken wird beispiellose Einblicke in die Mechanismen, die mehrjährige Gräser haben und nutzen werden, um auf Klimaveränderungen zu reagieren. Änderungen der Ploidie könnten bei dieser Reaktion eine Schlüsselrolle spielen.

Die Generierung zusätzlicher genomischer Ressourcen für das 8X bietet eine seltene Gelegenheit, die Allgemeingültigkeit eines „ploidien Hopfens“ zu beurteilen, wenn Switchgrass (und damit ähnliche Taxa) ausgeprägten Umweltschwankungen ausgesetzt sind. Neue Erkenntnisse aus dieser Forschungsrichtung in Kombination mit früheren Erkenntnissen werden die Identifizierung potenziell neuer Kombinationen genetischer Vielfalt in Switchgrass ermöglichen, die mit Klimaanpassung und Erweiterung des Verbreitungsgebiets in Verbindung gebracht werden könnten. Dies würde anschließend eine wertvolle Zuchtressource darstellen, um das Spektrum geeigneter Wachstumsbedingungen zu erweitern und die Widerstandsfähigkeit der Switchgrass-Rohstoffproduktion zu verbessern.