Pflanzen weisen eine enorme Vielfalt an züchtungsrelevanten Merkmalen wie Wuchshöhe, Ertrag und Resistenz gegenüber Schädlingen auf. Eine der größten Herausforderungen in der modernen Pflanzenforschung besteht darin, die Unterschiede in der genetischen Information zu identifizieren, die für diese Variation verantwortlich sind.
Ein Forschungsteam unter der Leitung der Arbeitsgruppe „Crop Yield“ am Institut für Molekulare Physiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Carnegie Institution of Science in Stanford hat nun eine Methode entwickelt, um genau diese besonderen Unterschiede in der genetischen Information zu identifizieren.
Am Beispiel von Mais demonstrieren sie in der Zeitschrift das große Potenzial ihrer Methode Genombiologie und vorhandene Regionen im Maisgenom, die dazu beitragen können, die Erträge und die Resistenz gegen Schädlinge während der Züchtung zu erhöhen.
Der Bauplan aller Organismen ist in ihrer DNA verschlüsselt. Dazu gehören die Gene, die die Proteine kodieren und die inhärenten Eigenschaften eines Organismus bestimmen. Darüber hinaus gibt es weitere wichtige Abschnitte der DNA, insbesondere die Regionen, die die Regulation von Genen steuern, also wann, unter welchen Bedingungen und in welchem Ausmaß die Gene aktiviert werden.
Im Vergleich zu den Genen sind diese regulatorischen Regionen – auch „cis-Elemente“ genannt – jedoch schwer zu finden. Veränderungen genau dieser DNA-Elemente sind maßgeblich für die Unterschiede zwischen Organismen – und damit auch zwischen verschiedenen Pflanzenarten – verantwortlich.
In den letzten Jahrzehnten haben Forscher herausgefunden, dass die regulatorischen Regionen die Bindungsstellen bestimmter Proteine sind. Sie werden als Transkriptionsfaktoren bezeichnet und bestimmen, wann und wie lange Gene aktiviert werden.
Mitkorrespondierender Autor Dr. Thomas Hartwig, der die Forschungsgruppe Ernteertrag am Institut für Molekulare Physiologie der HHU und am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln leitet, erklärt: „Das Finden der wenigen Variationen, die für die Veränderung von Merkmalen entscheidend sind, wie z.“ Denn die Schädlingsresistenz unter den Millionen und Abermillionen nicht ursächlicher Genomunterschiede ist die ultimative Suche nach der Nadel im Heuhaufen.“
„Im Gegensatz zu proteinkodierenden Genen können regulatorische Stellen normalerweise nicht allein anhand der Sequenz identifiziert werden. Das macht es sehr schwierig, sie zu lokalisieren. Unsere Methode verwendet Hybridpflanzen, um die direkten Auswirkungen von Variationen in der DNA-Sequenz auf die Transkriptionsfaktorbindung zu messen“, sagt Leiter Autor Professor Dr. Zhi-Yong Wang von der Carnegie Institution for Science.
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Forschern des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben sowie der University of Nebraska-Lincoln und der Iowa State University, USA, entwickelt.
Anhand von Hybriden, also der ersten Generation von Pflanzen, die durch Kreuzung zweier Sorten entstanden sind, kann das Forschungsteam vergleichen, welche regulatorischen Regionen sich im gesamten Genom unterscheiden. Co-Autorin Dr. Julia Engelhorn sagt: „Mit unserer Analysemethode können wir genau messen, ob Transkriptionsfaktoren stärker an das mütterliche oder väterliche Genom binden.“ Dieses Verfahren hat es dem Team auch ermöglicht, Tausende von Unterschieden im Zusammenhang mit Merkmalen wie Ertrag und Schädlingsresistenz bei Mais zu identifizieren.
Die Technologie wurde für einen Transkriptionsfaktor im Brassinosteroid-Signalweg demonstriert, einem Hormon, das mit Wachstum und Krankheit zusammenhängt. Institutsleiter Professor Dr. Wolf B. Frommer sagt: „Das Team hat Tausende von genomischen Variationen identifiziert, die erklären können, warum sich eine Maissorte hinsichtlich ihres Ertrags oder ihrer Krankheitsresistenz unterschiedlich verhält. Darüber hinaus konnte das Team zeigen, dass diese.“ Unterschiede sind fast gleichermaßen genetisch und epigenetisch. Letzteres beschreibt Prozesse, die die Genaktivität beeinflussen, ohne in der DNA-Sequenz selbst kodiert zu sein.
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist eine Liste von mehr als 6.000 Genomregionen, die für die Pflanzenzüchtung in Frage kommen. Dazu können Regionen gehören, in denen bei bestimmten Maissorten positive Eigenschaften zum Ausdruck kommen, die anderen Pflanzen fehlen.
Hartwig sagt: „Zu wissen, wo im Genom moderne Züchtungsmethoden eingesetzt werden können, um Merkmale von bestimmten Sorten auf andere zu übertragen, ist für die Biotechnologie von großer Bedeutung. Unsere Studie kann als Leitfaden dienen, wie man diese interessanten Genomregionen findet.“
Professor Frommer fügt hinzu: „Die Studienergebnisse legen den Grundstein für den Einsatz moderner Techniken zum Anbau neuer Maissorten durch geschickte Kombination der optimalen Varianten.“
Mehr Informationen:
Thomas Hartwig et al.: Hybrid-Allel-spezifische ChIP-seq-Analyse identifiziert Variationen in der Bindung des auf Brassinosteroid reagierenden Transkriptionsfaktors, die mit Merkmalen in Mais verknüpft sind. Genombiologie (2023). DOI: 10.1186/s13059-023-02909-w
Bereitgestellt von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf