Gensucher entdecken atypische Gene, die mehrere wertvolle Sojabohnenmerkmale steuern

Ein Team unter der Leitung des Sojabohnengenetikers Jianxin Ma von der Purdue University hat ein neues biotechnologisches Werkzeug zur Domestizierung wünschenswerter Eigenschaften wilder Sojabohnen entwickelt, beispielsweise der Resistenz gegen Zikadenschädlinge. Der Einsatz solcher Werkzeuge, die sogenannte De-novo-Domestizierung, erleichtert es Wissenschaftlern, Nutzpflanzen aus wilden Sojabohnen zu verbessern.

„Die Domestizierung einer Spezialpflanze aus ihrem wilden Vorläufer hat früher Tausende von Jahren gedauert. Jetzt kann es sein, dass wir dafür nur noch ein paar Jahre brauchen“, sagte Ma, Professorin für Agronomie und Stiftungslehrstuhl für Sojabohnenverbesserung der Indiana Soybean Alliance. Mithilfe von Verwandten der wilden Sojabohne können Wissenschaftler mithilfe von Gen-Editing-Methoden Gene modifizieren, um neue Sorten zu schaffen, die besser für die landwirtschaftliche Produktion geeignet sind.

Möglich wurde dies durch die Entdeckung zweier langer nichtkodierender RNA-Gene (lncRNA) mit einer ungewöhnlichen Eigenschaft. Die Gene teilen sich den gleichen genetischen Ort – sie sitzen Seite an Seite auf demselben Chromosom. Aber diese Gene steuern mehrere Merkmale. Im Allgemeinen kontrolliert ein Gen ein Merkmal.

Ma und 12 Co-Autoren von Purdue und anderen Institutionen in den USA und China berichteten über ihre Ergebnisse In Naturgenetik. Die Studie identifiziert die ersten langen nichtkodierenden RNA-Gene in einer domestizierten Pflanzen- oder Tierart, die für die menschliche Selektion in Frage kommen.

Co-Autor Blake Meyers von der University of California, Davis, betonte, wie die Arbeit verschiedene Ansätze und Entdeckungen im Zusammenhang mit lncRNA integriert.

„Die Verwendung eines traditionelleren Ansatzes zur Kartierung agronomischer Merkmale bei Sojabohnen führte zur Entdeckung einer einzigen, gemeinsamen molekularen Basis. Die Merkmale sind vielfältig und umfassen Blatt- und Stängelgröße, aber auch Insektenresistenz“, sagte Meyers, ein angesehener Professor für Pflanzenwissenschaften an der Universität UC Davis.

„Es stellt sich heraus, dass diese Merkmale auf ungewöhnliche Weise reguliert werden, und zwar durch Gene, die im Gegensatz zu den meisten Genen scheinbar kein Protein produzieren, sondern stattdessen lange nichtkodierende RNAs. Jianxins Labor hat hervorragende Arbeit bei der Charakterisierung des Regulierungsmechanismus und der Schritte geleistet, die dazu geführt haben.“ zur evolutionären Entstehung dieses einzigartigen genetischen Locus“, sagte Meyers.

Co-Autor Randall Nelson, emeritierter Professor für Sojabohnenzüchtung an der University of Illinois Urbana-Champaign, lobte die Synergie zwischen Forschungsprogrammen, die zu Ergebnissen führten, die einzeln kaum erzielt worden wären.

„Mein Programm ist weitgehend feldbasiert und wir haben eine einzigartige Population von Linien aus einer Kreuzung zwischen Sojabohnen und wilden Sojabohnen entwickelt, um Gene zu kartieren, die mit der Domestizierung in Zusammenhang stehen. Jianxins Labor konnte diese Linien kreativ nutzen, um eine neuartige genetische Kontrolle wichtiger Unterschiede zwischen Sojabohnen zu identifizieren.“ und wilde Sojabohnen“, sagte Nelson.

„Diese Ergebnisse tragen nicht nur zu unserem Verständnis alternativer Arten der genetischen Kontrolle bei, sondern tragen auch zu unserem Verständnis der Domestikation bei“, sagte er. „In Zukunft werden diese Ergebnisse dazu beitragen, die ungenutzte genetische Vielfalt wilder Sojabohnen zu nutzen.“

Vor Jahrhunderten domestizierten Bauern die weit verbreitete moderne Sojasorte namens Glycine max aus Glycine soja, einer Wildart. Die neu entdeckten lncRNA-Gene werden in wilden Sojabohnen stark exprimiert.

„Hoch exprimiert bedeutet, dass sie mehr Kopien von Boten-RNA mit spezifischen Strukturen erstellen können, um mehr Kopien kleiner RNA zu produzieren, die die Expression mehrerer proteinkodierender Gene hemmen, die diesen domestizierten Merkmalen zugrunde liegen. Diese beiden Gene werden jedoch in kultivierten Sojabohnen nur schwach exprimiert. „sagte Mama. „Sie sind in wilden Sojabohnen funktionsfähig, in kultivierten Sojabohnen jedoch nicht mehr, weil eine Mutation auf natürliche Weise aufgetreten ist.“

Wilde Sojabohnen haben winzige Samen, Blüten und Blätter. Bei kultivierten Sojabohnen wächst alles größer. Die behaarte Form der kultivierten Sojabohne bildet außerdem längere Stängel und Blätter in einer Form, die Insektenschädlingen wie Zikaden resistent macht.

Bei der Domestizierung von Nutzpflanzen wählen Landwirte Pflanzen aus, um deren Eignung für die menschlichen Bedürfnisse zu verbessern. Sie suchen nach Merkmalen wie Geschmack und Pflanzen mit größeren und mehr Samen, die zu einem höheren Ertrag führen. Der Domestikationsprozess verringert jedoch die genetische Vielfalt, die Grundlage der modernen Zucht.

Moderne domestizierte Sojabohnen leiden unter dieser verringerten genetischen Vielfalt, wodurch das Verständnis der breiteren genetischen Vielfalt wilder Arten immer dringender wird. Mit der Kenntnis der Gene, die für verschiedene Merkmale verantwortlich sind, können Sojagenetiker diese mithilfe molekularer Methoden in neue domestizierte Sorten integrieren.

Die Gen-Editing-Technologie steigert ihre Fähigkeit, Grundlagenforschung in die Entwicklung neuer Sojabohnensorten umzusetzen, beispielsweise mit verbesserter Samenzusammensetzung, Nährwertmerkmalen, Ölgehalt, Protein und essentiellen Aminosäuren.

„Wir betrachten unser Team als Gensucher, der genetische Variationen für die Züchtung besserer Sojabohnen für Landwirte in Indiana und im ganzen Land finden soll“, sagte Ma. „Unser Labor und unsere Kollegen haben zuvor mehrere Gene identifiziert, die anderen domestizierungsbezogenen Merkmalen zugrunde liegen. Dieses gesammelte Wissen hat die De-novo-Domestizierung wilder Sojabohnen und ihrer Verwandten möglich gemacht.“