Genetische Bearbeitung idealer Gene für kleine Korngrößen ermöglicht vollmechanisierte Hybridreiszüchtung

In einem Studie veröffentlicht in Natur PflanzenProf. Li Yunhai vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie (IGDB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und die Profs Zhu Xudong und Wang Yuexing vom China National Rice Research Institute haben ein ideales Gen für kleine Korngrößen, GSE3, identifiziert.

Sie zeigten, dass durch die Verwendung von Kleinkorn-Allelen von GSE3 in männlich sterilen Linien eine vollständig mechanisierte Produktion von Hybridsaatgut und eine erhöhte Saatgutzahl erreicht werden können.

Hybridtechnologien haben weltweit zu deutlichen Ertragssteigerungen beigetragen. Der Reisertrag ist in den letzten Jahrzehnten durch den Einsatz von Hybridreis um 20–30 % gestiegen, was die Ernährungssicherheit erhöht. Derzeit verhindern arbeitsintensive manuelle Schritte bei der Produktion von F1-Hybridsaatgut eine vollständige Mechanisierung der Hybridreiszucht.

Ein vielversprechender Ansatz zur Erreichung dieses Ziels ist die Entwicklung kleinkörniger männlich steriler Linien und großkörniger Restorer-Linien, die eine mechanische Trennung kleiner F1-Hybridsamen aus Mischpflanzungen dieser beiden Linien mithilfe eines einfachen Siebes ermöglichen. Eine ideale kleinkörnige männlich sterile Linie sollte zudem in Feldversuchen nur minimale negative Auswirkungen auf die Anzahl der F1-Hybridsamen und den Hybridreisertrag haben.

Tianyouhuazhan (TYHZ) ist eine Elite-Hybridreissorte, die in China seit Jahrzehnten weit verbreitet angebaut wird. Tianfeng A (TFA), Tianfeng B (TFB) und Huazhan (HZ) sind männlich sterile, Erhaltungs- bzw. Wiederherstellungslinien von TYHZ. Die Forscher kreuzten TFB mit verschiedenen kleinkörnigen Reissorten und züchteten erfolgreich eine ideale kleinkörnige Erhaltungslinie Xiaoqiao B (XQB) und die entsprechende neue männlich sterile Linie Xiaoqiao A (XQA).

Darüber hinaus wurde die großkörnige Indica-Sorte Kuangsijiadi mit der Restorer-Linie HZ gekreuzt, um die großkörnige Restorer-Linie Da Huazhan (DHZ) zu erzeugen. Feldversuche zeigten, dass die männlich-sterile Restorer-Kombination XQA-DHZ eine vollmechanisierte Hybridreisproduktion ermöglichte, die Anzahl der Hybridsamen erhöhte und den Hybridreisertrag nicht beeinträchtigte.

Die Forscher stellten fest, dass das GSE3-Gen für den Kleinkornphänotyp in XQA und XQB verantwortlich ist. Gleichzeitig führten sie einen groß angelegten Mutagenese-Screen durch, um Gene für die Züchtung idealer kleinkörniger männlicher steriler Linien zu identifizieren, und isolierten m238, einen Mutanten mit kleinen Körnern und einer erhöhten Kornzahl, ohne andere agronomische Merkmale zu beeinträchtigen. Weitere Analysen ergaben, dass m238 ein neues Allel von GSE3 war.

Darüber hinaus führten sie mithilfe der CRISPR-Cas9-Technologie eine Genombearbeitung des GSE3-Gens in drei- und zweizeiligen Hybridreissystemen durch, was zu einer vollständig mechanisierten Hybridsaatproduktion und einer deutlich erhöhten Hybridsaatzahl führte. Sie fanden auch heraus, dass GSE3 ein GCN5-verwandtes N-Acetyltransferase-ähnliches Protein kodiert, das die Histonacetylierungsniveaus beeinflusst.

GSE3 wird durch den Transkriptionsfaktor GS2 zu den Promotoren seiner mitregulierten Korngrößengene rekrutiert und beeinflusst den Histonacetylierungsstatus seiner mitregulierten Gene und reguliert so die Korngröße.

Diese Studie verdeutlicht, dass die maschinelle Produktion von Hybridsaatgut für einige Elite-Hybridreissorten nur durch die Bearbeitung des GSE3-Gens in männlich sterilen Linien erreicht werden kann, wenn der Unterschied in der Korndicke zwischen den Wiederherstellungslinien und den männlich sterilen Linien relativ groß ist.

Bei anderen Elite-Hybridreissorten kann die mechanisierte Hybridsaatproduktion durch Editieren des GSE3-Gens in männlich sterilen Linien und des GS2-Gens für große Körner oder anderer Gene für große Körner in den Restorer-Linien erreicht werden. Dies eröffnet eine neue Perspektive für die mechanisierte Hybridsaatproduktion bei anderen wichtigen Nutzpflanzen.