Die genetischen Mutationen, die den Reisanbau ermöglichten

Reis hat eine lange Geschichte als Grundnahrungsmittel in Japan und anderen Teilen Asiens. Die Ergebnisse einer neuen Studie einer internationalen Forschungskooperation legen nahe, dass die Entstehung von Kulturreis aus Wildreispflanzen das Ergebnis von drei Genmutationen ist, die dazu führen, dass die Samen (also die Reiskörner) weniger leicht von der Pflanze fallen.

Bei ihren Untersuchungen entdeckten die Forscher, dass jede der drei Mutationen einzeln wenig Wirkung hat, aber wenn alle drei Mutationen vorhanden sind, behalten die Rispen der Reispflanze mehr Samen – was zu einem höheren Ernteertrag führt.

Es wird angenommen, dass die Domestizierung von Wildreis begann, als unsere Vorfahren Reispflanzen entdeckten und kultivierten, die ihre Samen nicht so leicht fallen lassen, was den Weg für eine stabile Reisproduktion ebnete. Es ist zu hoffen, dass diese Forschungsergebnisse dazu beitragen können, die Fallfähigkeit von Reissamen (dh das Dreschen der Ernte zu erleichtern) und die Entwicklung ertragreicher Reissorten, bei denen jedes Korn geerntet werden kann, zu verbessern und Abfall zu reduzieren.

Diese Entdeckung wurde durch eine internationale Zusammenarbeit gemacht, an der Forscher der Kobe University’s Graduate School of Agriculture (Japan), des National Institute of Genetics (Japan), des University College London (UK), der University of Warwick (UK), der Yezin Agricultural University ( Myanmar) und dem Cambodian Agricultural Research and Development Institute.

Oryza sativa (auf Englisch oft als asiatischer Reis bezeichnet) wird weltweit angebaut und konsumiert. Es ist bekannt, dass es aus dem wilden Reiskraut Oryza rufipogon stammt. Es wird angenommen, dass der Reisanbau begann, als Jäger und Sammler in der Antike einzelne Wildreispflanzen auswählten, die für diesen Zweck geeignete Eigenschaften hatten. Wildreispflanzen führen einen Samenzertrümmerungsprozess durch, der ihre Samen zerstreut und es ihnen ermöglicht, sich effizient zu vermehren.

Beim Anbau von Reis muss dieses Aufbrechen der Samen jedoch unterdrückt werden, um eine stabile Ernte zu erhalten. Im Jahr 2006 wurde das sh4-Gen entdeckt: Dieses Gen ist für den Beginn der Samenzerkleinerung in Pflanzen einschließlich Reis erforderlich, und es wurde vorgeschlagen, dass eine Mutation in diesem Gen den Reisanbau ermöglicht.

Das aktuelle Forschungsteam zeigte jedoch, dass diese sh4-Mutation allein nicht ausreicht, um den Verlust durch Samenzertrümmerung zu verhindern, was darauf hindeutet, dass auch andere Genmutationen beteiligt sind. Mit Fokus auf die Frühgeschichte des Reisanbaus brachte diese Studie Spezialisten der Pflanzengenetik, Archäobotanik und Strukturmechanik zusammen, um aufzuklären, wie es zu steigenden Reiserträgen kam.

Das Zerbrechen der Samen wird durch eine Struktur verursacht, die als Abszissschicht bezeichnet wird und sich an der Basis jedes Reissamens bildet. Die Forscher fanden heraus, dass zusätzlich zu der oben erwähnten sh4-Genmutation ein einzelner Nukleotidaustausch (von Cytosin zu Thymin) in der DNA des qSH3-Gens erforderlich ist, um die Abszissionsschicht zu hemmen. Diese qSH3-Genmutation findet sich in den wichtigsten Reissorten, die weltweit angebaut werden (Indica und Japonica).

Einzelne Mutationen im Zusammenhang mit der Samenzertrümmerung, beispielsweise in den Genen sh4 und qSH3, können die Zertrümmerung in Wildreispflanzen allein nicht verhindern. Die Forscher entdeckten jedoch, dass die Kombination von sh4- und qSH3-Mutationen die Bildung der Abszissschicht, die für die Samenzertrümmerung erforderlich ist, teilweise hemmte. Trotzdem kamen sie zu dem Schluss, dass eine so geringe Hemmung nicht ausreichen würde, um einen stabilen Ernteertrag zu erzielen, da Samen in einer natürlichen Umgebung leicht abfallen. Daher entschieden sie sich, sich als nächstes auf die Rispenform zu konzentrieren. Rispe bezieht sich auf die Gruppen dünner Zweige an der Spitze der Reispflanze, die die Samen tragen.

Wildreis hat eine offene Rispenstruktur, die ein leichtes Fallen der Samen ermöglicht. Durch Hybridisierung erzeugten die Forscher 8 Wildreispflanzen, jede mit einer anderen Kombination von drei Genmutationen: eine Mutation am SPR3, die das Schließen der Rispen bewirkt, und die oben erwähnten sh4- und qSH3-Mutationen. Anschließend untersuchten sie den Ertrag jeder Pflanze. Sie fanden heraus, dass einzelne Mutationen wenig Wirkung hatten und dass selbst die Kombination zweier Mutationen nicht zu einer großen Ertragssteigerung führte. Wenn jedoch alle drei Genmutationen vorhanden waren, stieg der Ertrag exponentiell an.

Eine Analyse der strukturellen Mechanik der geschlossenen Rispenalteration und der Abszissionsschichthemmung offenbarte eine komplementäre Beziehung zwischen den beiden. Die Belastung der Schnittschicht der Samenbasis durch die Schwerkraft ist bei Pflanzen mit geschlossenen Rispen geringer als bei Pflanzen mit offenen Rispen, was möglicherweise einen noch höheren Ernteertrag bewirkt, indem das Zerbrechen der Samen weiter verringert wird. „Nicht-Samen-zerbrechendes Verhalten“, das durch sh4- und qSH3-Mutationen verursacht wird, und „geschlossene Rispen“, die durch die SPR3-Mutation verursacht werden, sind völlig unabhängige Merkmale, es wird jedoch angenommen, dass die zufällige Zusammenarbeit zwischen diesen Merkmalen es ermöglicht hat, Reis zu einer Nutzpflanze zu machen.

In der Parabel von den drei Pfeilen gab der japanische Kriegsherr MORI Motonari aus dem 16. Jahrhundert jedem seiner drei Söhne einen Pfeil und sie konnten die einzelnen Pfeile leicht zerbrechen. Ein Bündel aus drei Pfeilen ist jedoch stärker und indem er seinen Söhnen zeigte, dass drei Pfeile zusammen nicht zerbrochen werden könnten, erklärte er, dass die drei zusammenarbeiten sollten, um das Land zu regieren. In Reissorten wirken übrigens drei Mutationen zusammen, die wenig Einfluss auf sich selbst haben – ein wichtiges Sprungbrett für den Erfolg von Reis als Nutzpflanze.

Reis ist seit Tausenden von Jahren eine tägliche Energiequelle für die Menschen und einige japanische Reissorten gelten als kulturelle Kunstwerke. Diese Forschungsergebnisse offenbaren nicht nur den Mechanismus der Samenzerkleinerung, sie geben uns auch einen Einblick in die lange Geschichte hinter der Verbesserung des Reisanbaus.

Obwohl Reis weltweit eine wichtige Nutzpflanze ist, ist noch immer nicht vollständig geklärt, wie er domestiziert wurde. Fortschritte in den landwirtschaftlichen Techniken wurden von der Entwicklung von Reissorten begleitet, die ihre Samen immer weniger leicht fallen ließen, was darauf hindeutet, dass der Erwerb von Nicht-Samenzertrümmerungsverhalten das Ergebnis mehrerer Genmutationen ist.

Man hofft, dass durch weitere Untersuchungen dieser Mutationen der Anbauprozess für Reis aufgeklärt werden kann. Darüber hinaus könnte das Ausmaß der Samenzerkleinerung durch die Verwendung von Genen mit vielen dieser Mutationen kontrolliert werden, was zur Entwicklung neuer Reissorten führt, bei denen alle von der Pflanze produzierten Samen geerntet werden können.

Die Studie wurde veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences.