Das geliehene Gen hilft dem Mais, sich an hohe Lagen und kalte Temperaturen anzupassen

Forscher der North Carolina State University zeigen, dass ein wichtiges Maisgen namens HPC1 bestimmte chemische Prozesse moduliert, die zur Blütezeit beitragen, und seinen Ursprung in „Teosinte mexicana“ hat, einem Vorläufer des modernen Maises, der im Hochland von Mexiko wild wächst . Die Ergebnisse liefern Einblicke in die Pflanzenevolution und die Auswahl von Merkmalen und könnten Auswirkungen auf die Anpassung von Mais und anderen Feldfrüchten an niedrige Temperaturen haben.

„Wir sind allgemein daran interessiert zu verstehen, wie die natürliche Variation von Lipiden am Wachstum und der Entwicklung von Pflanzen beteiligt ist und wie diese Verbindungen Pflanzen dabei helfen können, sich an ihre unmittelbare Umgebung anzupassen“, sagte Rubén Rellán-Álvarez, Assistenzprofessor für strukturelle und molekulare Biochemie bei NC State und der korrespondierende Autor eines Artikels, der die Forschung beschreibt. „Insbesondere wollten wir mehr über die Variation von Lipiden namens Phospholipiden erfahren, die aus Phosphor und Fettsäuren bestehen, und ihre Rolle bei der Anpassung an Kälte, niedrigen Phosphorgehalt und die Regulierung wichtiger Prozesse für die Pflanzenfitness und den Ertrag wie die Blütezeit.“

Mais, der in höheren Lagen, wie im Hochland von Mexiko, angebaut wird, braucht spezielle Unterkünfte, um erfolgreich zu wachsen. Die kälteren Temperaturen in diesen Bergregionen benachteiligen Mais leicht im Vergleich zu Mais, der in niedrigeren Lagen und bei höheren Temperaturen angebaut wird.

„In großen Höhen, bei kälteren Temperaturen, dauert es länger, eine Maispflanze zu züchten, da weniger Wärmeeinheiten angesammelt werden – Mais muss Wärme- oder Wachstumseinheiten ansammeln“, sagte Rellán-Álvarez. „Auf 10.000 Fuß (2.600 Metern) dauert es dreimal länger, eine Maispflanze zu züchten als in tieferen Lagen. Um sich an diese besonderen Bedingungen anzupassen, müssen Campesinos – Kleinbauern – früh in der Saison pflanzen und tief in den Boden pflanzen; dort ist ein sehr langsames, aber stetiges Wachstum in den ersten Monaten bis zur Regenzeit.Über Jahrtausende haben Campesinos Maissorten ausgewählt, die unter diesen besonderen Bedingungen gedeihen können, indem sie in der Lage sind, bei niedrigen Temperaturen zu wachsen und früh zu blühen, bevor die kälteren Monate im Winter kommen. “

Hier kommt das HPC1-Gen ins Spiel, sagen die Forscher. In Maissorten, die in niedrigen Lagen angebaut werden, einschließlich des größten Teils des in den Vereinigten Staaten angebauten Mais, baut das Gen Phospholipide ab, die bei anderen Arten nachweislich an wichtige Proteine ​​​​binden, die die Blütezeit beschleunigen.

„Phospholipide sind auch wichtige Bausteine ​​von Zellmembranen. Alle Lipide haben unterschiedliche Formen, und das Ausbalancieren dieser Formen ermöglicht es Membranen, intakt zu bleiben, und hilft Pflanzen, Stressperioden zu überstehen“, sagte Allison Barnes, Postdoktorandin im Labor von Rellán-Álvarez und Co-Erstautor der Arbeit.

Im Gebirge versagt das Gen, aber zugunsten des Hochlandmaises.

„Bei Hochlandmais wurde eine defekte Version des Gens ausgewählt, was zu hohen Phospholipidspiegeln führte“, sagte Rellán-Álvarez. „Wir haben eine CRISPR-Cas9-Mutante entwickelt und die metabolische Funktion des Gens bestätigt. Wir haben auch ähnliche Phospholipid-Protein-Wechselwirkungen gezeigt, die bei anderen Arten zur Regulierung der Blütezeit beschrieben wurden.“

„Die Phospholipide, die im Hochland nicht abgebaut werden, halten die Membranen möglicherweise besser zusammen und ermöglichen es der Pflanze, die widrige Umgebung zu überleben“, fügte Barnes hinzu.

In der Veröffentlichung zeigen die Forscher die Ergebnisse umfangreicher Experimente in ganz Mexiko – im Tiefland und im Hochland –, in denen die Hochlandversion des Gens vorhanden war. Sie fanden heraus, dass Mais mit der Highland-Version des Gens einen Tag früher blühte als Pflanzen ohne diese Version des Gens. Unterdessen blühte Mais, der im Tiefland mit der Hochlandversion des Gens angebaut wurde, einen Tag später als Pflanzen ohne diese Genversion.

„Es hilft dem Werk, in seiner lokalen Umgebung besser zu werden“, sagte Fausto Rodríguez-Zapata, ein Ph.D. Student im Labor von Rellán-Álvarez und Co-Erstautor der Arbeit. „Wenn die Blüte nicht funktioniert, gibt es keinen Samen, daher ist es nicht verwunderlich, dass etwas, das mit der Blütezeit zu tun hat, auch an der lokalen Anpassung beteiligt ist.“

Die Studie untersuchte auch die Evolution von Mais über Jahrtausende der Auswahl durch Landwirte in der gesamten westlichen Hemisphäre. Indianer domestizierten Mais vor Tausenden von Jahren im Südwesten Mexikos aus einer Wildpflanze namens Teosinte parviglumis und brachten Mais mit großem Einfallsreichtum quer durch Amerika und passten ihn an – von den Wüsten von Arizona und Peru bis zu den feuchten Wäldern von Yucatán und Kolumbien, einschließlich Up ins mexikanische Hochland, wo Mais mit einer anderen wilden Teosinte-Pflanze gekreuzt wurde – Teosinte mexicana.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Maismischung mit Teosinte mexicana dem Mais half, sich an die Hochlandbedingungen anzupassen, und dass diese Mischung für modernen Mais relevant ist“, sagte Rellán-Álvarez.

In der Studie zeigten die Forscher, dass genetische Teile von Teosinte mexicana – nämlich die Hochlandversion von HPC1 – im heutigen Mais erhalten geblieben sind.

„Diese Beibehaltung – was Wissenschaftler als Introgression bezeichnen – ist ähnlich wie bei modernen Menschen, die Teile des Neandertalers in ihrem genetischen Code behalten. Diese Teile wurden beibehalten, weil sie im Laufe der Zeit ausgewählt wurden und einen gewissen Vorteil bringen“, sagte Rodríguez-Zapata.

Die Studie zeigte auch die Hochlandvariante von HPC1 in Mais, der in Kanada, den nördlichen Vereinigten Staaten und Nordeuropa angebaut wird – was aufgrund des kälteren Klimas an diesen Orten sinnvoll ist.

Die Forscher des Staates NC untersuchen nun die Rolle dieses und anderer Gene, die am Phosphorstoffwechsel beteiligt sind, um nachhaltigere Wege des Maisanbaus zu lernen und vielleicht mehr Teosinte mexicana in modernen Mais einzubringen.

Das Papier erscheint in Proceedings of the National Academy of Sciences. Forscher der Penn State University, der UC Davis, der Iowa State University, der Cornell University und Cold Spring Harbor haben das Papier gemeinsam verfasst.