Normale Zuchtexperimente können Jahre dauern, bis sie Früchte tragen
Wenn Wissenschaftler eine Gemüsesorte verbessern wollen, kann es ein Jahr oder weniger dauern, bis sich Veränderungen zeigen – nur die Dauer eines Fortpflanzungszyklus. Aber die Züchtung von Verbesserungen bei Bäumen kann Jahre – manchmal Jahrzehnte – dauern, bevor Veränderungen sichtbar werden.
Jetzt könnte ein von Forschern der University of Georgia entwickeltes Verfahren diese Zeit auf einen Bruchteil verkürzen.
CJ Tsai von der UGA Warnell School of Forestry and Natural Resources und dem Franklin College of Arts and Sciences hat mit dem Gen-Editing-Tool CRISPR eine Methode entwickelt, die die Blütezeit einer Pappel von etwa sieben auf zehn Jahre verkürzt nur ein paar Monate. Durch die Verkürzung dieses Zeitrahmens kann die Baumzüchtung für verbesserte Eigenschaften wie Kälte- oder Dürretoleranz beschleunigt werden.
Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Neuer Phytologe. Das Papier beleuchtet auch, wie die Bäume Fortpflanzungsorgane entwickeln, und öffnet Türen für neue Forschungen.
„Bisherige Methoden zur Induktion früher Blüten bei Pappeln waren inkonsistent und arbeitsintensiv. Dies ist ein großes Hindernis für die Forschung“, sagte Tsai, Winfred N. „Hank“ Haynes-Professor und angesehener Wissenschaftler der Georgia Research Alliance.
„Aber wenn wir CRISPR verwenden, um ein Blüte-Repressor-Gen zu bearbeiten, können wir die Blütezeit von mehr als sieben Jahren auf drei bis vier Monate und die einjährige Entwicklungszeit der Blütenorgane auf wenige Tage verkürzen.“
Ran Zhou, ein Postdoktorand bei Tsai, hat zuvor an der Geschlechtsbestimmung bei Weiden und Pappeln gearbeitet. Aufgrund seiner Erkenntnisse entschied sich das Team, ein weibchenspezifisches Geschlechtswechselgen in einer weiblichen Pappel mit CRISPR zu editieren. Dies sei machbar, argumentierten sie, mit dem frühen Blühsystem, um den langen Reproduktionszyklus von Bäumen zu umgehen. Innerhalb weniger Monate sahen Tsai und ihr Team neue männliche Blüten, was auf eine erfolgreiche Geschlechtsumwandlung hinweist.
Die Methode könnte ein Wendepunkt in der Welt der Baumforschung sein, wo Projekte im Vergleich zur Forschung an Nahrungspflanzen Jahrzehnte dauern können. Durch die Verkürzung der Blütezeit eines Baumes können Forscher kontrollierte Kreuzungen durchführen und interessierende Merkmale schneller beurteilen. Beispielsweise könnten Merkmale, die Bäumen helfen, Trockenheit oder extreme Temperaturen besser zu tolerieren, in einem kürzeren Zeitrahmen getestet werden.
Pappeln wurden in dem Experiment verwendet, sagte Tsai, wegen ihres Potenzials als Bioenergie-Holzpflanzen und ihre DNA wurde vom Energieministerium vollständig kartiert. Es dauert normalerweise Jahre, bis das Geschlecht einer Pappel beobachtet werden kann.
„Das Fast-Track-Blühsystem ist sowohl entscheidend als auch zeitgemäß, um eine Schnellzyklus-Züchtung und eine Schnellzyklus-Genomselektion bei mehrjährigen Gehölzarten zu ermöglichen“, sagte Tsai.
Tsai und ihr Team beobachteten auch einen Bonus für den Blütenentwicklungsprozess: Weibliche Pappeln haben ein Entwicklungspotential für Trimonoecy oder die Fähigkeit, männliche und weibliche Blüten auf derselben Pflanze zu haben. Typischerweise sind Pappeln getrennte männliche und weibliche Bäume. Aber mit ihrer beschleunigten Blüte beobachtete Maria Ortega, Senior Research Associate in Tsais Forest Functional Genomics Lab, eine ungewöhnliche Entwicklung männlicher Blüten oder vollständiger männlicher und weiblicher Blüten in den weiblichen Pappeln, die das Team untersuchte.
Das CRISPR-Projekt enthüllte eine weitere überraschende Wendung, als die Forscher die blühenden Bäume beim Wachsen beobachteten: Eine zusätzliche Genbearbeitung erwies sich als vielversprechend, um die baumwollartigen Samenanhaftungen zu reduzieren, die von den Pflanzen verwendet werden, um ihre Samen jedes Frühjahr zu verbreiten.
Die weißen, federartigen Anhängsel können beim Herunterfallen lästig sein – oder ein Albtraum für Allergiker. Durch das Blockieren der spezifischen Determiniertheit und des Blühgens stellte Tsais Team fest, dass die baumwollartigen Anhaftungen fast nicht vorhanden waren.
Während der Prozess weiterer Studien bedarf, könnte er später eine positive Veränderung für Allergiker darstellen. „Dies bietet eine molekulare Grundlage für die Entwicklung haarloser Samen, die die Ausbreitung von Allergenen in städtischen Gebieten oder in bewirtschafteten Wäldern verringern könnten“, fügte sie hinzu.
Die Veränderung der Samenhaare hat nicht nur dazu beigetragen, den Prozess zu bestätigen, sondern auch neue Möglichkeiten geschaffen, um zu untersuchen, wie Bäume reifen und sich vermehren. Tsai sagte, sie sei von den neuen Möglichkeiten begeistert.
„Diese Arbeit hat viele neue Möglichkeiten für die Erforschung grundlegender Fortpflanzungsmerkmale eröffnet“, sagte sie. „Und der kürzere Zeitrahmen kann den Studenten mehr Möglichkeiten für ihre eigenen Forschungsprojekte geben, anstatt etwas zu beginnen, das Jahre oder ein Jahrzehnt braucht, um Ergebnisse zu erzielen.“
Mehr Informationen:
María A. Ortega et al., In-vitro-Blütenentwicklung bei Pappeln: Einblicke in die Regulierung und Trimonoezie von Samentrichomen, Neuer Phytologe (2022). DOI: 10.1111/nph.18624