Studie enthüllt genetische Geheimnisse von Amerikas beliebtestem Snack

In seiner einfachsten Form ist Popcorn ziemlich unkompliziert. Die meisten Supermarktsorten bieten die Wahl zwischen zwei Kernfarben, gelb oder weiß, und zwei Kernformen, spitz oder perlmutt. Beim Aufplatzen dehnt sich die Flocke typischerweise in eine von zwei Formen aus: Pilz- oder Schmetterlingsform. Aber hinter Popcorn steckt mehr, als man auf den ersten Blick sieht. Neue Forschungsergebnisse der University of Illinois Urbana-Champaign enthüllen eine Fülle ungenutzter Vielfalt, die im genetischen Code von Popcorn lauert.

Bei der Analyse von 320 öffentlich zugänglichen Popcorn-Linien fanden Forscher der Pflanzenwissenschaften Variationen an mehr als 308.000 Stellen im Genom. Diese Vielfalt kann zu mehr Popcornvielfalt für die Verbraucher führen oder auch nicht, aber einige der Unterschiede könnten für die Verbesserung der agronomischen Leistung der Kulturpflanze wichtig sein.

„Dies könnte hilfreich sein, wenn Popcorn-Unternehmen Material zur Diversifizierung ihres Keimplasmas einbringen möchten, was für Dinge wie Krankheitsresistenz und Herbizidtoleranz äußerst wichtig ist. Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um interessante Merkmale zu identifizieren, aber dieser Datensatz eröffnet diese Möglichkeiten.“ „, sagt der Co-Autor der Studie, Tony Studer, außerordentlicher Professor und Popcornzüchter am Department of Crop Sciences, Teil des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences in Illinois.

Studers Team dokumentierte die genetischen Unterschiede in einem Prozess, der als Genotypisierung durch Sequenzierung bekannt ist und den Fokus der genetischen Sequenzierungsbemühungen auf die informationsreichsten Teile des Genoms einschränkt. Unterschiede oder Polymorphismen zwischen Maislinien traten auf der Ebene einzelner Nukleotide auf, den Bausteinen der DNA.

Popcornpopulationen

Nachdem das Team Hunderttausende Unterschiede identifiziert hatte, konnte es Maislinien nach Mustern von Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) gruppieren und so Rückschlüsse auf die Verwandtschaft ziehen. Der Analyse zufolge lassen sich nordamerikanische Popcornsorten in zwei Gruppen einteilen: Die eine besteht hauptsächlich aus gelben Perlmuttsorten, während weiße, spitze und lateinamerikanische Sorten in eine zweite Gruppe fallen.

„Durch die Gruppierung von Popcorn auf der Grundlage genetischer Ähnlichkeiten können wir die in jeder Gruppe vorhandene Diversität untersuchen und die Leistung von Kreuzungen zwischen Linien besser vorhersagen. Wenn sich außerdem herausstellt, dass ein Gen die Leistung verbessert, hilft die Kenntnis seiner Gruppenzugehörigkeit den Züchtern, es in die Gruppe aufzunehmen.“ Ich hoffe, dass Popcorn-Unternehmen dies nutzen werden, um ihre Produkte sowohl auf Verbraucherseite als auch auf Seiten der Erzeuger zu verbessern“, sagt Madsen Sullivan, Doktorandin der Pflanzenwissenschaften und Erstautorin der Studie.

Die Ergebnisse zeigten ein hohes Maß an Inzucht bei gelben Perlpopcornsorten. Das bedeutet eine geringere genetische Vielfalt und eine größere Verwandtschaft innerhalb dieser Gruppe. Obwohl dies zu besseren Popcorn-Eigenschaften geführt hat, wird Material aus der anderen Gruppe wahrscheinlich Versionen von Genen enthalten, die nützlich sein könnten, aber in den gelben Perlpopcorns nicht vorhanden sind.

Die Analyse bietet auch einen Ausgangspunkt, um die lange Geschichte der Verbreitung von Popcorn in Nordamerika und der Welt aufzudecken. Studer sagt, die ersten Menschen, die Mais konsumierten, aßen ihn wahrscheinlich geplatzt und nicht mit Butter bestrichen. In einer Folgestudie arbeitet er daran, die frühen Ursprünge von Popcorn aufzuspüren.

Entmystifizierung der Herbizidtoleranz von Popcorn

Nachdem der genetische Code von Popcorn geklärt war, wollten die Forscher ein seit langem bestehendes Rätsel im Zusammenhang mit den Etiketten für die Anwendung von Herbiziden lösen. Nicosulfuron vernichtet seit Anfang der 1990er Jahre Unkraut in Maisfeldern, ist jedoch nur für gelbkernige Hybriden zugelassen; Landwirte werden ausdrücklich davor gewarnt, es für Popcorn mit weißen Kernen zu verwenden.

„Das war für mich ein Warnsignal, denn die Kernfarbe sollte nichts mit der Herbizidempfindlichkeit zu tun haben“, sagt Co-Autor Marty Williams, USDA-ARS-Ökologe und außerordentlicher Professor für Nutzpflanzenwissenschaften in Illinois. „Die Kernfarbe wird durch Gene in einem völlig anderen Teil des Genoms gesteuert.“

Williams arbeitete mit Studers Team zusammen, um 294 Popcorn-Genotypen aus beiden Populationen zu testen, der Yellow-Pearl-Gruppe und der White-Point- und Lateinamerikanischen Gruppe; Übrigens ist trotz ihrer Namen keine Gruppe ausschließlich gelb oder weiß. Die Forscher verwendeten Nicosulfuron auf die Testgruppe sowie empfindliche und tolerante Popcorn- und Zuckermais-Hybriden als Kontrollen.

Während Nicosulfuron mehr Popcorn mit weißen Kernen schädigte, hatte die Wirkung nichts mit der Kernfarbe selbst zu tun. Stattdessen korrelierte die Nicosulfuron-Empfindlichkeit mit dem genetischen Erbe und der Populationsstruktur. Die spitzen und lateinamerikanischen Typen waren empfindlicher als die gelben Perlen. Im Dellenmais wird Nicosulfuron durch ein Gen namens nsf1 entgiftet. Die Forscher suchten sofort nach demselben Gen in Popcorn und gingen davon aus, dass es in den toleranten Genotypen aktiv sein würde.

„Wir erwarteten, dass nsf1 in Popcorn vorkommt, aber stattdessen fanden wir einen ganz anderen Satz von Genen, die mit der Nicosulfuron-Toleranz in Zusammenhang zu stehen schienen“, sagt Studer. „Das eröffnet die Möglichkeit eines alternativen Mechanismus für die Herbizidtoleranz bei Popcorn, und wir planen, dies weiterzuverfolgen.“

Nächste Schritte

Williams empfiehlt Popcorn-Züchtern, diese Forschung zu nutzen, um die Toleranz gegenüber Nicosulfuron und möglicherweise anderen Herbiziden in ihren bestehenden und neuen Sorten zu verbessern. Dann könnten die Herbizidkennzeichnungen letztendlich aktualisiert werden, um die Toleranz in der gesamten Kulturpflanze unabhängig von der Kernfarbe widerzuspiegeln.

Könnten die Ergebnisse der Genomstudie die agronomischen Eigenschaften von Popcorn verbessern? Studer sagt, dass es mehr Arbeit erfordern wird, den Datensatz auf wünschenswerte Merkmale zu untersuchen, aber irgendwann könnten Popcorn-Unternehmen Elite-Popcorn-Linien entwickeln und vermarkten.