Eine von einem Forscher der North Carolina State University geleitete Studie identifizierte Gene, die an der Entwicklung von Steinzellen beteiligt sind – starren Zellen, die ein knabberndes Insekt daran hindern können, aufkeimende Zweige der immergrünen Sitka-Fichte zu fressen. Der Angriff des Insekts hat das Wachstum dieser Waldriesen gehemmt.
Die neuen Erkenntnisse könnten Forschern dabei helfen, genetisch verbesserte Sitka-Fichten zu züchten, die gegen den Fichtenrüssler (Pissodes strobi) resistent sind.
„Wir wollten die genetische Grundlage für die natürliche Schädlingsresistenz herausfinden, die bestimmte Sitka-Fichten entwickelt haben, um zu verhindern, dass Insekten sich von der Pflanze ernähren“, sagte Justin Whitehill, Assistenzprofessor für Weihnachtsbaumgenetik an der NC State und Erstautor der Studie. Whitehill begann die Studie als Postdoktorand an der University of British Columbia, wo die Laborexperimente abgeschlossen wurden.
„Das Merkmal, das wir bei Sitka-Fichten untersucht haben, ist eine physische Abwehr, die als Steinzellen bekannt ist und in fast allen Pflanzenarten vorkommt“, sagte Whitehill. „Sie sind für die körnige Textur verantwortlich, die man beim Verzehr einer Birne spürt. Die Entwicklung von Steinzellen ist sehr komplex und umfasst Tausende von Genen. Wir haben einige der Genetik identifiziert, die an den wichtigsten frühen Schritten für die Entwicklung dieser Zellen beteiligt ist.“
Die Sitka-Fichte ist ein großer Nadelbaum, der an der Westküste von Kalifornien bis Alaska wächst. Während der Baum aufgrund seiner Anfälligkeit für den Rüsselkäfer in Nordamerika durch andere Arten für Holzprodukte ersetzt wurde, ist er in Europa immer noch eine wichtige Holzart. Viele Bäume, die an der Westküste für forstwirtschaftliche Produkte angebaut wurden, stammten aus einer schnell wachsenden Population, die auf einer Insel wuchs und nie dem Rüsselkäfer ausgesetzt war, was sie äußerst anfällig machte, sagte Whitehill.
In Kanada wurde jedoch eine Gruppe resistenter Sitka-Fichten entdeckt, die Steinzellen entwickeln, einen starren Zelltyp, der nur in weniger als einem Zoll der Spitze aufkeimender Zweige wächst – dem gleichen Bereich, in dem der Rüsselkäfer frisst.
„Die Steinzellen verlangsamen das Fortschreiten des Insekts und geben dem in der Baumrinde enthaltenen Harz Zeit, das Insekt zu umhüllen und es zu klebrig zu machen, um mehr zu fressen“, sagte Whitehill. „Steinzellen blockieren diese Insekten, wenn sie versuchen, sich durch die Pflanze zu fressen, und verlangsamen sie so weit, dass sie dem Baum keinen nennenswerten Schaden zufügen.“
In ihrer aktuellen Studie fanden Forscher fast 1.300 Gene, die in Steinzellen in höherem Maße exprimiert wurden. Sie identifizierten außerdem ein Schlüsselgen, das als „Hauptschalter“ fungiert und für die Aktivierung Tausender anderer Gene verantwortlich ist, von denen bekannt ist, dass sie die Entwicklung dickwandiger Zellen in anderen Pflanzen steuern.
„Dieses Papier legt einen Fahrplan der Gene dar, die an der Entwicklung von Steinzellen beteiligt sind“, sagte Whitehill. „Wir zeigen, dass es stark durch die Genetik kontrolliert wird, die an sekundären Zellwänden beteiligt ist.“
Der Schlüssel zur Studie der Forscher war ein Mikrodissektionsgerät, das mithilfe eines Lasers extrem kleine Gewebescheiben in dünne Abschnitte schneidet. Forscher konnten winzige Abschnitte aus den Knospen aktiv wachsender Sitka-Fichtenzweige schneiden, um Gene zu untersuchen, die während ihrer Entstehung speziell in Steinzellen exprimiert wurden.
Whitehill sagte, er habe Fördermittel erhalten, um eine aktualisierte Version dieser Technologie nach NC State zu bringen. Jetzt verwenden Forscher hier die Laser-Mikrodissektion, um Gene in der Fraser-Tanne zu untersuchen – einem führenden Weihnachtsbaum in den Vereinigten Staaten, der im Westen von North Carolina wächst. Sie nutzen diese Technologie, um wichtige Merkmale zu untersuchen, die die Lebensfähigkeit, den Duft und die Widerstandsfähigkeit gegen Schädlinge der Fraser-Tanne steigern könnten, einem Baum mit einer Genomgröße, die fünfmal größer ist als die des Menschen.
„Wir verwenden diesen Ansatz jetzt, um nach Genen zu suchen, die an der Resistenz gegen Krankheitserreger und Schädlinge beteiligt sind, und um komplexe ökologische Wechselwirkungen auf genetischer Ebene zu verstehen“, sagte Whitehill.
Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Neuer Phytologe.
Mehr Informationen:
Justin GA Whitehill et al., Transkriptommerkmale der Steinzellentwicklung in Rüsselkäfer-resistenter und anfälliger Sitka-Fichte, Neuer Phytologe (2023). DOI: 10.1111/nph.19103