Weizen, eine weltweit wichtige Nahrungspflanze, bestimmt seinen Ertrag aus Faktoren wie der Anzahl der Ähren pro Flächeneinheit, dem Tausendkorngewicht und dem Kornertrag pro Ähren. Die Ährchenform wirkt sich direkt auf die Ährchenzahl, den Kornertrag und die gesamte Weizenproduktivität aus. Die Entdeckung der Schlüsselregulatoren der Weizenährenentwicklung und die Untersuchung ihrer molekularen Mechanismen sind vielversprechend für die Präzisionszüchtung und die molekulare Verbesserung der Ährenmorphologie.
In einem Studie veröffentlicht in Molekulare PflanzeForscher um Xiao Jun vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie (IGDB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) stellten einen innovativen Ansatz vor. Durch die Integration multidimensionaler Omics, Populationsgenetik und Genfunktionsanalyse entwarfen die Forscher eine systematische und effiziente Strategie zur Identifizierung wichtiger regulatorischer Faktoren bei der Entwicklung von Weizenspitzen.
Durch eine umfassende Sequenzierung der Transkriptome von Weizenspikes, der Zugänglichkeit von Chromatin und Histonmodifikationen in wichtigen Entwicklungsstadien beschrieben sie die dynamische transkriptionelle und epigenetische Landschaft der Reifung von Weizenspikes und gipfelten in der Konstruktion eines Transkriptionsregulationsnetzwerks (TRN).
Durch die Kombination multidimensionaler Omics mit Populationsgenetik identifizierten die Forscher 227 mutmaßliche regulatorische Faktoren, die die Spike-Entwicklung beeinflussen, von denen 42 bereits mit der Spike-Bildung in Weizen oder Reis in Verbindung gebracht wurden.
Das phänotypische Screening von 61 neuen Genen mithilfe der KN9204-Mutantenbibliothek ergab 36 Mutationen, darunter TaMYC2-A1, TaMYB30-A1 und TaWRKY37-A1, die die Blütezeit oder die Ährenmorphologie veränderten. Die funktionelle Charakterisierung von TaMYB30-A1 unterstrich die Wirksamkeit des TRN bei der Entschlüsselung der Genfunktionalität und seinen praktischen Nutzen bei Weizenzüchtungsinitiativen.
Gleichzeitig wurde eine umfassende Multi-Omics-Datenbank für die Weizenspitzenentwicklung, bekannt als WSMOD, gestartet. Diese Plattform bietet Forschern bequemen „All-in-one“-Zugriff auf verschiedene Dienste, darunter den Abruf von Geninformationen, Koexpressionsanalyse, TRN-Vorhersage, epigenetische Kartendarstellung und Suchfunktionen für Mutantenbibliotheken.
Zusammenfassend beleuchtet diese Studie die dynamischen Transformationen, die während der Entwicklung von Weizenspitzen auftreten und sowohl durch Gentranskription als auch durch epigenetische Regulation geprägt sind. Es integriert mehrdimensionale Daten einschließlich Transkriptomik, Epigenomik und Populationsgenetik, um diese Prozesse zu entschlüsseln. Der Aufbau eines entwicklungsspezifischen TRN für Weizenspitzen stellt eine systematische, effiziente und genaue Strategie zur Identifizierung wichtiger regulatorischer Faktoren dar.
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Xuelei Lin et al., Systemische Identifizierung von Wachstumsregulatoren für Weizenspitzen durch integrierte Multi-Omics, Transkriptionsnetzwerke, GWAS und genetische Analysen, Molekulare Pflanze (2024). DOI: 10.1016/j.molp.2024.01.010