Aufgrund der diploiden Natur der Pflanzen, bei denen sie über zwei Chromosomensätze verfügen, einen von jedem Elternteil, ist die konventionelle Pflanzenzüchtung für die Schaffung von Inzuchtlinien mit den gewünschten genetischen Merkmalen nicht zeiteffizient. Im Gegensatz dazu nutzt die Doppelhaploid-Technologie gentechnisch veränderte haploide Induktorpflanzen, um doppelt haploide Nutzpflanzen zu erzeugen, die zwei Chromosomensätze von einem einzigen Elternteil haben. Diese revolutionäre landwirtschaftliche Methode kann Inzuchtlinien in einer einzigen Generation erzeugen und so den Züchtungsprozess beschleunigen.
Jüngste Studien haben das Potenzial bestimmter Gene bei der Auslösung der haploiden Induktion aufgedeckt, einem wichtigen Schritt in der Doppelhaploid-Technologie. Insbesondere wurde das Gen ZmMATL als pollenspezifische Phospholipase in Mais identifiziert, das eine Rolle bei der haploiden Induktion innerhalb der Fortpflanzungsprozesse der Pflanze spielt.
Aufbauend auf dieser Entdeckung demonstrierten die Forscher die Erhaltung der pollenspezifischen Phospholipase A-vermittelten In-vivo-Haploid-Induktion bei verschiedenen Monokotyledonenarten, einschließlich Indica-Reis, durch Mutation des OsMATL-Gens. Es wurde jedoch festgestellt, dass die haploide Induktionsrate (HIR) bestenfalls nur 6 % beträgt, was weit unter dem Industriestandard liegt, was darauf hindeutet, dass diese Rate erhöht werden muss.
In einer aktuellen Gemeinschaftsstudie identifizierten Forscher aus Korea unter der Leitung von Dr. Yu-Jin Kim von der Pusan National University OsMATL2, ein potenziell haploidinduzierendes Gen in Japonica-Reis (Oryza sativa japonica). Ihre Forschung wurde veröffentlicht in Pflanzenphysiologie.
Mithilfe einer Kombination aus GUS-Reportergenen, mit grün fluoreszierenden Proteinen markierten Antikörpern und quantitativer Reverse-Transkriptase-Polymerasekettenreaktion beobachtete das Team, dass das OsMATL2-Protein, ein Phospholipase-Enzym, in Pollen stark exprimiert wird, hauptsächlich in der Plasmamembran von Zellen der Japonica Reispflanze.
Um die Rolle von OsMATL2 – dem Gen, das für das OsMATL2-Protein kodiert – bei der haploiden Induktion zu bewerten, nutzte das Team das CRISPR/Cas9-System, um Knockout-Mutanten (sgOsMATL2) mit unterdrückter Expression des OsMATL2-Proteins zu erzeugen.
Während diploide sgOsMATL2-Pflanzen im Vergleich zu normalem Reis keine vegetativen Defekte aufwiesen, waren ihre haploiden Gegenstücke deutlich kleiner. Darüber hinaus zeigten alle sgOsMATL2-Pflanzen eine verminderte Samenbildung (etwa 80 % des Normalwerts). Am wichtigsten ist, dass haploide sgOsMATL2-Pflanzen aufgrund schwerer Mängel in der Pollenentwicklung männliche Sterilität zeigten.
Mittels Durchflusszytometrie und Fluoreszenzmikroskopie beobachteten die Forscher, dass haploide sgOsMATL2-Pflanzen nur halb so viele Chromosomen wie normale Pflanzen besaßen, was bestätigte, dass die Inaktivierung des OsMATL2-Gens tatsächlich die haploide Induktion auslöst. Der HIR von sgOsMATL2-Pflanzen wurde im Durchschnitt bei 6,34 % beobachtet, was etwas höher ist als der durch die OsMATL-Mutation ausgelöste HIR.
„Traditionelle Pflanzenzüchtung erfordert mehrere Generationen der Selbstkreuzung. Geneditierte OsMATL2-Pflanzen können als haploider Induktor verwendet werden, um in einer einzigen Generation perfekt ingezüchtete Reislinien zu produzieren“, sagt Dr. Kim.
Diese Studie zeigte die Existenz eines neuen Haploid-induzierenden Gens in Reis. Während die OsMATL- und OsMATL2-Gene aufgrund ihrer funktionellen Redundanz einen individuellen HIR von ~6 % aufweisen, ist es möglicherweise möglich, beide Gene zu mutieren, um einen höheren HIR zu erhalten. Die Anwendungen dieser Forschung können den Reisanbau revolutionieren.
„Eine schnelle Pflanzenzüchtung ist erforderlich, um den Klimawandel, abiotischen Stress und Bedrohungen durch Viren zu bekämpfen. Die Identifizierung von haploiderzeugenden Genen und das Verständnis ihrer Mechanismen während der Doppelbefruchtung in Pflanzen kann den Zeit- und Arbeitsaufwand für eine effektive Pflanzenzüchtung reduzieren“, schließt Dr .Kim
Mehr Informationen:
Jin Hoon Jang et al, Funktionsverlust der pollenexprimierten Phospholipase OsMATL2 löst haploide Induktion in Japonica-Reis aus, Pflanzenphysiologie (2023). DOI: 10.1093/plphys/kiad422
Zur Verfügung gestellt von der Pusan National University