Neue Forschungsergebnisse zeigen große Unterschiede im Genom der amerikanischen und chinesischen Kastanie

Die Chromosomen der amerikanischen und der chinesischen Kastanie sind sich doch nicht so ähnlich, zumindest in einer Schlüsselregion des Genoms – der Nukleolus-Organisationsregion (NOR).

Der Befund, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichtehat große Auswirkungen für jeden, der das Ziel verfolgt, amerikanischen Kastanien durch Hybridisierung mit der chinesischen Kastanie Resistenz gegen Seuchen zu verleihen.

„Dies ist ein beispielloser Befund auf dem Gebiet der Pflanzenzytologie“, sagt Nurul Faridi, Genetiker des Forstdienstes und Hauptautor der Studie.

Die traditionelle Rückkreuzungszüchtung, bei der zwei Arten hybridisiert werden, zielt darauf ab, eine ideale Mischung von Merkmalen zweier Arten ohne Gentechnik zu kombinieren. Eine Rückkreuzungszüchtung kann nur gelingen, wenn die Chromosomen beider Arten kompatibel sind. Da chinesisch-amerikanische Kastanienhybriden lebensfähig sind, geht man davon aus, dass die beiden Arten gut kompatibel sind. Die neue Studie zeigt jedoch erhebliche Unterschiede im NOR der beiden Arten.

Das NOR ist Teil jeder pflanzlichen und tierischen Zelle. Es trägt die genetischen Anweisungen für die Herstellung von Ribosomen – den molekularen Maschinen, die lebenswichtige Proteine ​​herstellen.

Das NOR befindet sich nahe dem Ende des kurzen Arms eines bestimmten Chromosoms. Es kommt in beiden Arten vor, aber in der Chinesischen Kastanie ist es mit einer DNA-Art namens Heterochromatin gefüllt und macht etwa 25 % des Chromosoms aus.

Die Struktur und Zusammensetzung dieser DNA überraschte die Forscher – sie ist stark verdichtet, weist keinen Gengehalt auf und ist transkriptionell inaktiv. Im Gegensatz dazu ist der amerikanische Kastaniensatellit sehr klein und scheint euchromatisch zu sein. Euchromatische Regionen der DNA sind transkriptionell aktiv.

Faridi bemerkte zuerst ein kleines Paar chinesischer Kastanienchromosomen, das mit einem Spezialmikroskop, einem UV-Filter und einem Farbstoff, der an die DNA bindet, eine sehr helle Fluoreszenz zeigte.

Faridi nutzte die fluoreszierende In-situ-Hybridisierung (FISH), um die Entdeckung weiter zu analysieren.

„Unsere hochwertigen FISH-Bilder liefern einen eindeutigen Beweis für diese einzigartige DNA-Anordnung“, sagt Faridi. „Diese Bilder sind nicht nur Bilder; sie sind ein Beweis für die dynamische Natur des genetischen Materials.“

Faridi arbeitet seit 1991 mit FISH zusammen und verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Vorbereitung von Pflanzenchromosomen für Analysen. Gut getrennte Chromosomen aus enzymatisch verdauten Wurzelspitzen, die größtenteils frei von Zellwänden, Kernmembranen und zytoplasmatischen Trümmern sind, eignen sich am besten für FISH.

Die meisten FISH-Bilder stammen aus tierischen Zellen, da die Arbeit mit Pflanzenzellen und insbesondere Bäumen schwieriger zu handhaben ist. Faridi hat herausgefunden, dass Kastanien weitaus schwieriger zu bearbeiten sind als Kiefern und Pappeln.

Für weitere Untersuchungen werden die Forscher eine Technik namens Oligonukleotid-FISH verwenden. Oligo-FISH verwendet kurze spezifische DNA-Sonden, die durch DNA-Sequenzierung gewonnen werden. Da das gesamte Genom amerikanischer und chinesischer Kastanien sequenziert wurde, wird Oligo-FISH den Forschern die Durchführung detaillierter genetischer Studien ermöglichen, um subtile genomische Unterschiede zu erkennen. Die Technik ist besonders nützlich für die Untersuchung von Hybriden, da sie anzeigen kann, von welchem ​​Elternteil ein Gen stammt.

Die Fortschritte bei der Entwicklung amerikanischer Kastanienhybriden mit der gleichen Höhe wie die amerikanische Kastanie und der Resistenz gegen Seuchen der chinesischen Kastanie waren erheblich. Allerdings verfügen die fortschrittlichsten Hybriden derzeit nicht über genügend Resistenz gegen Seuchen, um wiederhergestellt zu werden, wie frühere Forstbehörden festgestellt haben Forschung hat gezeigt.