Die Pflanzenzüchtung wird weitgehend durch Kompromisse zwischen verschiedenen agronomischen Merkmalen eingeschränkt. Da viele dieser Kompromisse durch Gen-Pleiotropie verursacht werden, kann eine Reduzierung der Gen-Pleiotropie es einfacher machen, diese Kompromisse in der Pflanzenzüchtung zu überwinden. Bisher wurden jedoch nur wenige wirksame Strategien entwickelt.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Naturbiotechnologieverwendeten Forscher der Gruppe von Li Jiayang am Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Tiling-Deletion, um die cis-regulatorische Region des pleiotropen Reisgens Ideal Plant Architecture 1 (IPA1) zu bearbeiten. Dadurch überwanden sie den Kompromiss bei den Merkmalen der Reisertragskomponenten und stellten eine wirksame Strategie zur Überwindung des Engpasses bei den Reiserträgen bereit.
IPA1, das von Lis Gruppe identifiziert wurde, ist ein dominanter Regulator der Pflanzenarchitektur in Reis. Es codiert einen pflanzenspezifischen Transkriptionsfaktor, reguliert verschiedene Aspekte des Wachstums und der Entwicklung von Reis und spielt eine wichtige Rolle bei der Krankheitsresistenz und der Anpassungsfähigkeit an die Umwelt.
Die Gain-of-Function-Allele von IPA1 führen zu wenigen unproduktiven Trieben, mehr Körnern pro Rispe, stärkeren Halmen, robusten Wurzeln und damit zu einer konsequenten Steigerung des Kornertrags. Infolgedessen wurden sie in großem Umfang in der Reiszüchtung verwendet. IPA1 ist jedoch ein typisches pleiotropes Gen, das die Körner pro Rispe erhöht, aber die Bestockung reduziert.
Um den Kompromiss zwischen Rispengröße und Bestockung zu überwinden, modifizierten die Forscher die cis-regulatorische Region von IPA1, um ihr Expressionsniveau in jungen Rispen, Stammbasen und anderen Geweben zu regulieren, um unterschiedliche Merkmale spezifisch zu regulieren. Aufgrund der Einschränkungen früherer technischer Methoden war die Funktion der cis-regulatorischen Region der Kulturpflanzen jedoch weitgehend unbekannt.
Anschließend führten sie ein Tiling-Deletions-basiertes CRISPR/Cas9-Screening für die gewünschte cis-regulatorische Region von IPA1 durch. Aus der Genome-Editing-Bibliothek identifizierten die Forscher IPA1-Pro10, eine Linie, die eine 54-bp-Deletion der cis-regulatorischen Region enthält, die gleichzeitig die Bestockungszahl und die Kornzahl pro Rispe erhöhen kann.
IPA1-Pro10 zeigte vergrößerte Rispen, erhöhte Bestockung und Pflanzenhöhe, dickere Stängel und Wurzeln, und sein Ertrag stieg auf Reisfeldern um 15,9 %.
Darüber hinaus untersuchten die Wissenschaftler den molekularen Mechanismus des IPA1-cis-Elements zur Regulierung von Rispenmerkmalen weiter und fanden heraus, dass An-1, ein wichtiger Transkriptionsfaktor für die Domestizierung, an das GCGCGTGT-Motiv in der 54-bp-cis-regulatorischen Region binden und spezifisch regulieren kann die Expression von IPA1 in jungen Rispen, was wiederum spezifisch Rispenmerkmale reguliert.
Diese Studie bietet eine praktikable Methode zur Überwindung der Kompromisse zwischen agronomischen Merkmalen. Es liefert auch neue genetische Ressourcen zur Überwindung von Reisertragsengpässen. Aus diesen Gründen stellt diese Studie einen wichtigen Fortschritt auf diesem Gebiet dar.
In Zukunft wird die systematische Aufklärung der cis-regulatorischen Regionen von Kerngenen neue molekulare Mechanismen und genetische Ressourcen zur Überwindung von Engpässen in der Pflanzenzüchtung liefern.
Hong Yu, Das Targeting eines genregulatorischen Elements verbessert den Ertrag von Reiskörnern, indem es die Anzahl und Größe der Rispen entkoppelt, Naturbiotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41587-022-01281-7. www.nature.com/articles/s41587-022-01281-7