Eine aktuelle Studie der Gruppe von Prof. Chong Kang vom Institut für Botanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat einen neuartigen kältedomestizierten Reparaturmechanismus für DNA-Schäden in Reis aufgedeckt, der entsprechende Elite-Module zur Verbesserung der Kältetoleranz-Eigenschaft bereitstellt Reis mit den Codon-Wiederholungen an einer einzigen Stelle.
Die Ergebnisse wurden online in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Der globale Klimawandel hat in den letzten Jahren zu einer deutlichen Zunahme abnormaler Umwelttemperaturen und extremer Wetterereignisse geführt. Daher ist es dringend erforderlich, dass Pflanzen in der Lage sind, extremen Temperaturen standzuhalten, um stabile Erträge zu gewährleisten. Obwohl Pflanzen komplizierte und empfindliche Schutzmechanismen entwickelt haben, um Kältestress zu überleben, treten immer noch DNA-Schäden auf, wodurch die Abwehrkräfte der Pflanzen geschwächt werden. Darüber hinaus war der zugrunde liegende Regulierungsmechanismus weitgehend unklar.
In dieser Studie verwendete die Gruppe von Prof. Chong in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Li Qizhai von der Akademie für Mathematik und Systemwissenschaften der CAS und der Gruppe von Prof. Cheng Zhukuan vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der CAS einen Ansatz, der kombiniert Populationsgenetik, Genomik sowie Zell- und Evolutionsbiologie, um das neuartige Modul für Kältetoleranz zu nutzen.
Die Forscher führten genomweite Assoziationsstudien (DM-GWAS) zur Datenzusammenführung basierend auf multidimensionaler Skalierung durch. Eine Reihe von Loci wurde von GWAS unter Verwendung zusammengeführter phänotypischer Daten identifiziert. Eines davon war qCTS11-1 auf Chromosom 11, das einen klaren Beitrag zur Reiskühltoleranz leistet. Sein wichtigstes Gen, COLD11, wurde mit feinskaliger Kartierung identifiziert. Funktionsverlust-Mutationen von COLD11 verursachten laut den Forschern eine verringerte Kältetoleranz.
Verschiedene Arten von GCG-Codon-Wiederholungen, die Alanin im ersten Exon von COLD11 codieren, wurden für kälteempfindliche Indica-Sorten und kältetolerante Japonica-Sorten beobachtet. Die GCG-Codon-Wiederholungszahlen hatten eine klare, positive Korrelation mit Kältetoleranz. Darüber hinaus deutete die Genom-Evolutionsanalyse repräsentativer Reiskeimplasmen darauf hin, dass zahlreiche Wiederholungen der GCG-Sequenz während der nördlichen Expansion des Reisanbaus einer starken Domestizierungsselektion unterzogen wurden.
Darüber hinaus kodiert COLD11 für ein DNA-Reparaturprotein, das eine wesentliche Rolle bei der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen spielt. Die Anzahl der GCG-Wiederholungen in seinem ersten Exon zeigte eine positive Korrelation mit seiner biochemischen Aktivität. Dies ist der erste Bericht über einen durch Domestizierung selektierten Reparaturmechanismus für DNA-Schäden und seine entsprechenden Elite-Module, die Kältestress beinhalten.
Unter Verwendung von DM-GWAS von Japonica und Indica – zwei Reisunterarten mit erheblicher Divergenz in der Kältetoleranz – zeigt diese Studie, dass COLD11 ein wichtiges quantitatives Trait-Loci-Gen für Kältetoleranz ist.
Die Entdeckung der Schlüssel-Codon-Wiederholungen im ersten Exon von COLD11, die durch phylogenetische und geografische Verteilungsanalysen bestätigt wurde, ebnet den Weg für eine Feinregulierung der Reiskühlungstoleranz mit einer einzigen Stelle. Es ist ein potenziell nützliches molekulares Modul zur Verbesserung der Kühltoleranzeigenschaft in Reis durch molekulares Design.
Mehr Informationen:
Zhitao Li et al., Natürliche Variation von Codon-Wiederholungen in COLD11 verleiht Reis eine kühlende Widerstandsfähigkeit, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abq5506. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5506