Identifizierung eines von Willebrand-Faktor-Typ-A-Proteins, das sowohl die Korn- als auch die Fahnenblattmorphologie bei Weizen beeinflusst

Die Weizenproduktion ist für die globale Nahrungsmittelsicherheit von entscheidender Bedeutung, und eine kontinuierliche Verbesserung des Getreideertrags ist notwendig, um den Nährstoffbedarf der wachsenden Weltbevölkerung zu decken. Die Korngröße korreliert positiv mit dem Korngewicht, während das Fahnenblatt als Hauptquelle für photosynthetische Assimilate für die Kornentwicklung dient. Daher sind die Korn- und Fahnenblattmorphologien entscheidende Faktoren für das endgültige Ertragspotenzial von Weizen. Die Identifizierung von Genen, die sowohl an der Korn- als auch an der Fahnenblattmorphologie beteiligt sind, bleibt ein wesentlicher Schritt bei der Präzisionszüchtung und dem Anbau von Weizen mit hohem Ertragspotenzial.

Chunyun Zhou, Hongchun Xiong und ihre Kollegen in der Gruppe von Luxiang Liu vom Institut für Pflanzenwissenschaften der Chinesischen Akademie für Agrarwissenschaften identifizierten durch kartenbasiertes Klonen eines Rundkorn-1-Weizenmutanten (rg1) ein Protein mit von-Willebrand-Faktor-Typ-A-(vWA)-/Vwaint-Domäne, das die Korngröße und die Morphologie der Fahnenblätter beeinflusst, und enthüllten den molekularen Mechanismus der phänotypischen Variationen in den Mutanten. Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Wissenschaft China Biowissenschaften.

Das Team identifizierte einen Rundkorn-Mutanten (rg1) mit kürzerem Fahnenblatt und Pflanzenhöhe aus dem Hintergrund der Winterweizensorte Zhongmai 175 und ordnete das rg1-Gen einem 163 kb großen physischen Intervall auf Chromosom 7D zu. Die Gensequenzanalyse ergab, dass das TraesCS7D02G010200, das ein vWA- und Vwaint-Domänen enthaltendes Protein kodiert, das Kandidatengen für RG1 war. Missense-Mutationen in sieben Rundkorn-/Kurzfahnenblatt-Mutanten aus den Hintergründen Jing411 und Nongda5181 stützten die Annahme, dass TraesCS7D02G010200 das ursächliche Gen für die veränderte Korngröße und Fahnenblattmorphologie war.

Weitere Proteinstrukturmodelle zeigten, dass Aminosäuresubstitutionen an den kritischen Stellen für die Proteinfaltung, insbesondere in der hochkonservierten Vwaint-Domäne, zum Phänotyp des runden Korns/kurzen Fahnenblatts führten. Weitere Analysen der Proteininteraktion und des Hormongehalts legen nahe, dass RG1 die GA- und ABA-Werte durch Interaktion mit dem Isoprenoidsyntheseprotein MCT regulieren könnte, was zu einer Verringerung der Korngröße und der Fahnenblattlänge beitragen könnte.

Darüber hinaus wurden natürliche Variationspopulationen auch verwendet, um Haplotypen zu identifizieren, die mit unterschiedlichen korngrößenbezogenen Merkmalen verbunden sind.

Diese Studie zeigt die Funktionen der vWA-Domäne bei der Regulierung der Korngröße und der Morphologie der Fahnenblätter. Sie liefert eine theoretische Grundlage und genetische Ressourcen, einschließlich RG1-Haplotypen, die eine Verbesserung der Korngröße und des Korngewichts bei Weizen und möglicherweise auch bei anderen Getreidearten ermöglichen können.