Neue Forschungsergebnisse identifizieren einen biotechnologischen Ansatz zur Verbesserung der Hybridzüchtung von Sojabohnen

Sojabohne (Glycine max) ist eine der wirtschaftlich und gesellschaftlich wirkungsvollsten Nutzpflanzen der Welt. Sie liefert weltweit einen erheblichen Anteil aller Proteine ​​für den tierischen Verzehr und spielt eine Schlüsselrolle bei der Ölproduktion, -herstellung und Biokraftstoffanwendungen. Im Jahr 2022 wurden in den Vereinigten Staaten schätzungsweise 4,3 Milliarden Scheffel Sojabohnen produziert, ein Rückgang von fast 200 Millionen Scheffel im Vergleich zum Vorjahr.

Um mit der wachsenden Nachfrage nach Tierfutter auf Sojabasis Schritt zu halten, prognostiziert das USDA, dass die Sojaanbaufläche bis 2032 um 19,6 % zunehmen wird. Die Hybridzüchtung von Sojabohnen hat das Potenzial, die Produktivität einer der am häufigsten angebauten und konsumierten Nutzpflanzen auf dem amerikanischen Kontinent zu steigern Dennoch ist es weitgehend unerforscht geblieben.

Neue Forschungen von Wissenschaftlern des Donald Danforth Plant Science Center und der Cornell University liefern eine Schlüsseltechnologie, die eine obligatorische Auskreuzung bei Sojabohnen ermöglicht. Die neu veröffentlichte Studie „Die Einführung von Barnase/Barstar in Sojabohnen erzeugt ein rettbares männliches Sterilitätssystem für die Hybridzüchtung“ im Zeitschrift für Pflanzenbiotechnologiehat ergeben, dass die obligatorische Auskreuzung mit den Barnase/Barstar-Linien eine neue Ressource darstellt, die zur Verstärkung des Hybrid-Saatgutsatzes verwendet werden kann, was groß angelegte Versuche zur Heterosis in dieser Hauptkultur ermöglicht.

Derzeit ist die Sojabohne zu 99 % selbstbestäubend, was eine Hybridisierung jeglicher Erträge verhindert. Hybridzüchtung zur Steigerung der Vitalität wird seit über einem Jahrhundert eingesetzt, um die landwirtschaftliche Produktion zu steigern, ohne dass höhere Inputs erforderlich sind. Während dieser Ansatz zu einigen der größten Steigerungen der Pflanzenproduktivität geführt hat, haben Züchtungsbarrieren die Sojabohne grundsätzlich daran gehindert, die Vorteile der Hybridkraft zu nutzen.

Sojabohnen bilden unauffällige Blüten, die sich vor dem Öffnen selbst befruchten und daher nicht ohne weiteres für eine Auskreuzung geeignet sind. Dies ist zum Teil auf die Einschränkungen aktueller Ansätze zurückzuführen, die es nicht geschafft haben, eine zuverlässige obligatorische Auskreuzung bei Sojabohnen herbeizuführen.

Das Forschungsteam zeigte, dass das Barnase/Barstar-System zur männlichen Sterilität/männlichen Rettung bei Sojabohnen zur Herstellung von Hybridsaatgut eingesetzt werden kann. Durch die Expression der zytotoxischen Ribonuklease Barnase unter einem Tapetum-spezifischen Promotor in Sojabohnen-Staubbeuteln konnten sie die Pollenreifung vollständig blockieren und so männlich sterile Pflanzen erzeugen. Sie zeigten auch, dass die Fruchtbarkeit in der F1-Generation dieser Barnase-exprimierenden Linien gerettet werden kann, wenn sie mit Pollen von Pflanzen gekreuzt werden, die den Barnase-Inhibitor Barstar exprimieren.

„Wichtig ist, dass wir festgestellt haben, dass die erfolgreiche Wiederherstellung der männlichen Fruchtbarkeit von der relativen Dosierung von Barnase und Barstar abhängt. Wenn Barnase und Barstar unter demselben Tapetum-spezifischen Promotor exprimiert wurden, blieben die F1-Nachkommen männlich steril. Als wir Barstar unter exprimierten Da wir ein relativ stärkerer Promoter als Barnase sind, konnten wir die männliche Fruchtbarkeit in der F1-Generation erfolgreich retten“, sagte Patricia Baldrich, Ph.D., Co-Autorin der Arbeit und leitende Forscherin am Danforth Center.

Diese Arbeit demonstriert die erfolgreiche Umsetzung eines biotechnologischen Ansatzes zur Erzeugung fruchtbarer Hybridnachkommen in Sojabohnen. Angesichts der Bedeutung von Sojabohnen für die globale Landwirtschaft könnten Fortschritte in der Sojabohnenproduktivität eine transformative Wirkung haben und eine nachhaltige Landwirtschaft fördern, indem sie es Landwirten ermöglichen, auf bestehenden Anbauflächen höhere Erträge zu erzielen.

„Verbesserte Sojabohnen sind ein langfristiges Ziel von Landwirten, Pflanzenzüchtern und Wissenschaftlern“, sagt Blake Meyers, Ph.D., leitender Forscher am Danforth Center und Professor für Pflanzenwissenschaften an der University of Missouri. „Verbesserungen könnten möglicherweise erhebliche Auswirkungen haben – und auch für bedrängte Bestäuber von Vorteil sein.“

„Diese Arbeit ist der erste Schritt zur Entwicklung eines Hybrid-Züchtungssystems für Sojabohnen. Es hat mich wirklich stolz gemacht, Nicole Szeluga, Doktorandin an der Cornell University und Hauptautorin dieses Artikels, dabei zuzusehen, wie sie das Projekt vom Entwurf bis zur Verwirklichung führt. „Ich bin gespannt, wie sich das Teamprojekt in den kommenden Jahren entwickelt“, sagt die korrespondierende Autorin Margaret Frank, Ph.D., Assistenzprofessorin der Cornell University an der School of Integrative Plant Sciences.

Fremdbestäubte Sojabohnen haben das Potenzial, dank der sogenannten „Hybridkraft“ den Ertrag zu steigern, Bestäubern Futter zu bieten und es Landwirten zu ermöglichen, mehr Sojabohnen auf weniger Land zu produzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet das Team nun an zusätzlichen Sojablütenmerkmalen, die, wenn sie gestapelt oder mit den männlich sterilen Linien kombiniert werden, einen systematischen Ansatz darstellen, um die Produktion von Hybrid-Sojabohnensamen zu ermöglichen.

„Als Doktorand ist es für mich eine große Befriedigung, die kontinuierliche Entwicklung dieses Projekts zu beobachten, von der Konzeptualisierung bis zum Experimentieren, gefolgt von einer gründlichen Datenanalyse und einer Veröffentlichung. Ich freue mich, Teil einer Forschung zu sein, die das Potenzial hat, wirkungsvolle Veränderungen herbeizuführen.“ in der Welt“, fügte Ryan DelPercio, USDA-NIFA-AFRI-Vordoktorand an der University of Missouri und Mitglied des Meyers-Labors hinzu.