Mais oder Mais wird weltweit als Lebensmittel, Rohstoff und als Biokraftstoffquelle angebaut und ist neben Weizen und Reis eine der am häufigsten angebauten Nutzpflanzen. Heutzutage ist die Bedeutung von Mais als Getreide unübertroffen, und Methoden zur Steigerung der Ernteerträge, zur Senkung der landwirtschaftlichen Kosten und zur Gewährleistung einer nachhaltigen Landwirtschaft sind von entscheidender Bedeutung.
Es hat sich gezeigt, dass eine Steigerung des Maisertrags mit der Verwendung von Stickstoffdünger zusammenhängt. Es hat sich aber auch gezeigt, dass ihre Aufnahme von Stickstoffdünger aus dem Boden mit nur etwa 40–65 % ineffizient ist. Das Verständnis der Ursachen dieser Ineffizienz ist wichtig, um das Pflanzenwachstum wirtschaftlich und nachhaltig zu verbessern (weniger Düngemitteleinsatz). Herkömmliche Techniken zur Gewebesektion und -analyse sind jedoch arbeitsintensiv und unpräzise, was es Wissenschaftlern erschwert, klare Einblicke in Zelltypen und -eigenschaften zu erhalten.
Kürzlich hat eine neuartige Technik namens Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) das Spiel in der Gewebeanalyse auf zellulärer Ebene verändert. Diese vielseitige Technik wurde auf Proben von menschlichem Gewebe, Mäusen, Reis, Erdnüssen und anderen Pflanzen angewendet und enthüllte wichtige Genexpressionsmuster und Zellentwicklungswege.
In einer Zusammenarbeit zwischen dem Institute of Nanfan & Seed Industry, Guangdong Academy of Science, China, und dem College of Agriculture and Biology, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, China, haben Wissenschaftler dieses Werkzeug zur Charakterisierung von Maiswurzeln eingesetzt. „Die Anwendung von scRNA-seq zur Identifizierung zelltypspezifischer Gene, die für die Stickstoffaufnahme und -verarbeitung verantwortlich sind, bringt neue Hoffnung auf die Optimierung der Fähigkeit zur Aufnahme von Nährstoffen durch die Wurzel in Nutzpflanzen, einschließlich Mais“, sagt Prof. Yongwen Qi, der die Zusammenarbeit leitete.
In ihrer Studie analysierte das Team über 7.000 Zellen aus den Wurzelspitzen von Setzlingen, die auf Medien mit oder ohne Nitratdünger gezogen wurden. Sie identifizierten und charakterisierten 11 Hauptzelltypen oder Gewebe, die jeweils in stark unterschiedlicher Anzahl vorhanden waren. Dies spiegelte die hohe Heterogenität der Maiswurzelspitzen wider. Der Vergleich von Zellen von Sämlingen, die in beiden Medien gezüchtet wurden, zeigte, dass es über diese Zelltypen hinweg 85 zelltypspezifische Gene für die Nitratreaktion gab, von denen nur einige für die Nitrataufnahme und den Nitratstoffwechsel bekannt waren.
Weitere Analysen ergaben Hinweise auf die Entwicklungswege verschiedener Zellen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass Wurzelhaarzellen von einem Subtyp der Epidermiszelle abstammen.
Die Wissenschaftler verglichen auch Zelltypen in Mais- und Reiswurzeln, um gemeinsame und differenzierte Gene zu finden, und gewannen Einblicke in Gene, die evolutionär über Nutzpflanzenarten hinweg konserviert worden sein könnten. Sie fanden 57 Wurzelhaare, 216 Endodermis und 80 Phloem-Gene, die konserviert sind.
Die in dieser Studie charakterisierten Gene könnten als Wegweiser für Forscher dienen, die nach Wegen suchen, um die Genexpression und Variationen in bestimmten Zelltypen oder Geweben, in Mais oder anderen Nutzpflanzen genau zu kontrollieren. „Obwohl nicht alle Zelltypen erfasst wurden, sind unsere Ergebnisse eine wertvolle Ressource für die Untersuchung von Zelltypen und der Reaktion von Maiskulturen auf Nitratdünger. Diese Arbeit liefert auch ein Beispiel für die Erforschung der Zellheterogenität in einem speziellen Gewebe einer Pflanze. Weiter könnten die in dieser Studie charakterisierten Gene Ziele für weitere Analysen zur genetischen Verbesserung von Nutzpflanzen verschiedener Arten sein. Wir hoffen, dass diese Studie Ideen und Methoden zur Genisolierung, zur Kontrolle der Genexpression und Pflanzeneigenschaften und sogar zur Präzisionszüchtung liefern kann“, sagt Prof. Qi.
Durch ihre Erkenntnisse hat das Team von Prof. Qi den Weg für neue Erkundungen in der Biotechnologie und Pflanzenzüchtung geebnet. Insbesondere stellt diese Studie einen bedeutenden Schritt in Richtung eines effizienteren und wirtschaftlicheren, aber nachhaltigen Maisanbaus für eine goldenere Zukunft dar.
Die Studie wurde veröffentlicht in Das Erntejournal.
Xuhui Li et al, Einzelzell-RNA-Sequenzierung enthüllt die Landschaft von Maiswurzelspitzen und hilft bei der Identifizierung von zelltypspezifischen Nitrat-Response-Genen, Das Erntejournal (2022). DOI: 10.1016/j.cj.2022.02.004
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