Der PCR-Test für Okinawa-Mozuku könnte die Erträge steigern und zu klimatoleranten Stämmen führen

Ein einfacher PCR-Test könnte verwendet werden, um die Kultivierung der essbaren Braunalge Okinawa mozuku zu verbessern und sogar Versuche zu unterstützen, hitzetolerante Stämme zu erzeugen, berichteten Wissenschaftler der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Der PCR-Test, beschrieben in einer neuen Studie, veröffentlicht am 9. Juni 2022 in Phykologische Forschungerkennt neun Gene, die das Lebenszyklusstadium der Mozuku-Algen sowie ihr Geschlecht aufzeigen.

Okinawa-Mozuku (Cladosiphon okamuranus) ist ein in Japan sehr beliebtes Algen-Superfood, das seit den 1980er Jahren entlang der Küste von Okinawa von Bauern angebaut wird. Im Herbst kultivieren die Bauern Mozuku-Keimlinge oder „Samen“ in Tanks, um ihre Knospen zu induzieren. Dann bringen die Bauern sie in Netzen ins Meer, wo sie wachsen, bis sie im Frühjahr geerntet werden. Jedes Jahr werden etwa 15.000 bis 20.000 Tonnen Mozuku gesammelt, was mehr als 2 Milliarden Yen zur lokalen Wirtschaft beiträgt.

Mozuku-Bauern stehen derzeit jedoch während des Anbauprozesses vor drei großen Problemen. Erstens bilden einige der Mozuku-Samen keine Knospen. Zweitens, wenn der Mozuku im Ozean wächst, löst er sich manchmal von den Netzen und wird von Strömungen und Gezeiten weggeschwemmt. Schließlich sind Algen besonders anfällig für Hitze, da steigende Meerestemperaturen ihr Wachstum hemmen.

„2010 fiel der Ertrag auf weniger als die Hälfte des Niveaus eines typischen Jahres, was vermutlich auf einen ungewöhnlich warmen Winter zurückzuführen ist“, sagte Dr. Koki Nishitsuji, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Marine Genomics Unit des OIST unter der Leitung von Professor Noriyuki Satoh. „Im Zuge des Klimawandels könnte die Häufigkeit wärmerer Winter zunehmen, daher werden neue hitzebeständige Sorten benötigt.“

Eine der effektivsten Möglichkeiten, Eigenschaften wie Hitzetoleranz zu entwickeln, ist die Kreuzung, bei der Individuen aus zwei verschiedenen Stämmen zusammen gezüchtet werden, um einen neuen gemischten Stamm zu schaffen. Wissenschaftler hatten jedoch Schwierigkeiten, Algen zu kreuzen, da es schwierig war, männliche Keimzellen von weiblichen Keimzellen zu unterscheiden.

„Bei anderen Organismen, wie Ei und Sperma bei Säugetieren, gibt es sichtbare Unterschiede“, erklärte Dr. Nishitsuji. „Aber bei Algen können die Keimlinge nicht mit dem Auge identifiziert werden, sondern nur anhand ihrer DNA.“

In den letzten Jahren entschlüsselte das Forschungsteam der Marine Genomics Unit das Genom der vier verschiedenen S-, K-, O- und C-Stämme von Okinawa-Mozuku und der verwandten Art Nemacystus decipiens, bekannt als Ito-Mozuku in Japanisch.

Durch die Nutzung dieser Fülle an genomischen Informationen war das Team nun in der Lage, neun geschlechtsbestimmende Schlüsselgene zu identifizieren. Als die Wissenschaftler PCR-Tests an den Mozuku-Keimlingen durchführten, wurden fünf dieser Gene nur bei Männchen nachgewiesen, während die anderen vier nur bei Weibchen gefunden wurden.

„Jetzt, da wir das Geschlecht identifizieren können, haben wir begonnen, den O-Stamm sowohl mit dem S-Stamm als auch mit dem K-Stamm zu kreuzen, um zu sehen, ob dies zu einem hitzetoleranteren Stamm führt“, sagte Dr. Nishitsuji. „Wir arbeiten auch daran, Gene zu identifizieren, die als Marker für die verschiedenen Stämme fungieren können, damit wir vollständig bestätigen können, dass die Kreuzungen erfolgreich waren.“

Neben der Einführung von Hitzeresistenz in neu entwickelte Stämme kann die Kreuzung den Forschern auch helfen, das Problem anzugehen, dass Mozuku ins Meer geschwemmt werden, indem Mozuku-Stämme entwickelt werden, die fester an den Netzen haften.

Obwohl der PCR-Test in erster Linie zur Unterstützung der Kreuzung entwickelt wurde, kann er auch von Mozuku-Bauern während der „Aussaat“-Phase der Kultivierung verwendet werden, indem er ihnen ermöglicht, festzustellen, in welchem ​​Lebenszyklusstadium sich die Keimlinge befinden.

Der Lebenszyklus von Mozuku ist im Vergleich zu Tieren und Landpflanzen kompliziert und einzigartig. Menschen (und die meisten anderen Tiere) sind diploid, was bedeutet, dass unsere Körperzellen zwei DNA-Sätze enthalten – einen Satz von unserer Mutter und einen anderen Satz von unserem Vater. Unsere Keimzellen (Eier und Spermien) sind haploid, was bedeutet, dass sie nur einen DNA-Satz haben. Bei der Befruchtung verbinden sich die haploide Eizelle und das Sperma zu einem diploiden Embryo.

In Mozuku treten Keimlinge jedoch in zwei verschiedenen Stadien des Lebenszyklus auf, als Haploide und Diploide. Aber nur die diploiden Keimlinge treiben aus und entwickeln sich zu den essbaren reifen Mozuku, die die Bauern kultivieren wollen. Wenn der Tank mit haploiden Keimlingen kontaminiert ist, kommt es zu weniger Knospen, wodurch letztendlich weniger Mozuku geerntet werden.

„Diploide Keimlinge sehen genauso aus wie die männlichen und weiblichen haploiden Keimlinge, daher ist dies ein üblicher Weg für Landwirte, Erträge zu verlieren“, sagte Dr. Nishitsuji. „Aber jetzt kann mit unserem PCR-Test frühzeitig geprüft werden, ob sie diploid sind, da diese Keimlinge alle neun männlichen und weiblichen Gene enthalten werden.“

Im Herbst wird das Team mit dem Okinawa Prefectural Fisheries and Marine Technology Center in Itoman und der Onna Fisheries Cooperative zusammenarbeiten und die PCR-Tests verwenden, um zu versuchen, ihren Endertrag zu verbessern.

Wichtig ist, dass die in dieser Studie identifizierten geschlechtsbestimmenden Markergene wahrscheinlich für andere Braunalgen wie Undaria pinnatifida (auf Japanisch Wakame) und Saccharina japonica (Kombu) ähnlich sind, die ebenfalls wirtschaftlich wichtige Nutzpflanzen sind.