Wissenschaftler identifizieren Gen, das zu widerstandsfähigem „Pixie“-Mais führen könnte

Ein in Pflanzen weit verbreitetes Gen wurde kürzlich als wichtiger Transporter eines Hormons identifiziert, das die Größe von Mais beeinflusst. Die Entdeckung bietet Pflanzenzüchtern ein neues Werkzeug zur Entwicklung wünschenswerter Zwergsorten, die die Widerstandsfähigkeit und Rentabilität der Ernte verbessern könnten.

Ein Forscherteam unter der Leitung der Iowa State University arbeitete jahrelang daran, die Funktionen des Gens ZmPILS6 zu entschlüsseln. Nun konnten sie es als wichtigen Treiber für Pflanzengröße und -architektur charakterisieren, als Träger eines Auxinhormons, das das Wachstum der Wurzeln unter der Erde und der Triebe oder Stängel über der Erde steuert. Ihre Ergebnisse wurden in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS).

„Ein Kennzeichen des heutigen Wissenschaftszeitalters ist, dass wir über all diese hochwertigen Genomdaten verfügen, ob von Mais, Menschen oder anderen Organismen, und jetzt stehen wir vor der Aufgabe, herauszufinden, was die Gene eigentlich tun“, sagte Dior Kelley, Assistenzprofessor für Genetik, Entwicklung und Zellbiologie an der Iowa State, der das Forschungsteam leitete.

Die Gruppe verwendete ein „umgekehrtes genetisches Screening“ (vom Gen zu den in der Pflanze ausgedrückten Merkmalen) in Kombination mit anderen Techniken, um die Rolle ihres Gens bei der Maisentwicklung zu verfolgen. Laut Kelley erfordern umgekehrte Screens mehrere Wachstumsperioden und funktionieren nicht immer. Ihre Gruppe brauchte sieben Jahre, um ZmPILS6 gründlich zu charakterisieren und zu bestätigen, dass es das Pflanzenwachstum reguliert.

Wenn es aus modifizierten, mutierten Pflanzen „herausgenommen“ wird, führt sein Fehlen zu einer Unterdrückung der seitlichen Wurzelbildung und der Pflanzenhöhe. Die Forschung hat zu einem vorläufigen Patent für sein Potenzial geführt, in Zuchtprogrammen eingesetzt zu werden, um Mais mit niedrigem Wuchs zu erzeugen, der dennoch hochproduktiv ist.

„Ich halte das für einen ‚Pixie‘-Mais“, sagte Kelley. „Es besteht aus allen möglichen Gründen großes Interesse daran, unter anderem wegen des geringeren Wasser- und Nährstoffverbrauchs und seiner Fähigkeit, starken Winden standzuhalten.“

Bei der Untersuchung von ZmPILS6 in Mais machten die Forscher eine weitere merkwürdige Entdeckung: Das Gen schien gegenteilige Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum zu haben als ein vergleichbares Gen in Arabidopsis, einer Pflanze, die oft als Modellpflanze in der Forschung verwendet wird.

„Das war sehr unerwartet“, sagte Kelley. „Es zeigt, dass sich Pflanzenproteine, die sich in unterschiedlichen Kontexten entwickelt haben, unterschiedlich verhalten können. Es unterstreicht die Notwendigkeit, Gene direkt in den wichtigsten Nutzpflanzen zu untersuchen, anstatt zu glauben, wir würden sie verstehen, wenn wir uns nur ansehen, wie sie in anderen Pflanzen funktionieren.“

Kelley schreibt den Erfolg des Projekts in hohem Maße einem „großartigen Team von Mitarbeitern“ zu, insbesondere Craig Cowling, einem Doktoranden in Kelleys Labor, der Erstautor der PNAS Papier. „Craig war derjenige, der wirklich nachgeforscht hat, um zu bestätigen, dass dieses Gen das Pflanzenhormon Auxin trägt und die Größe bei Mais absolut kontrolliert.“

„Dieses Projekt und die Anerkennung als Erstautor eines Artikels in dieser wichtigen Zeitschrift waren ein wenig unglaublich“, sagte Cowling.

Kelley bezeichnet die neue Forschung als „grundlegende“ Grundlagenforschung zum Verständnis eines Gens, das zahlreiche komplexe Wachstumsmerkmale beeinflusst, die die Evolution bei vielen Pflanzen, von Algen bis Mais, bewahrt hat. „Sie ist auch ‚translational‘, da sie mit genetischen Ressourcen verknüpft ist, die zur Verbesserung von Zuchtprogrammen genutzt werden können“, sagte sie. „Das eröffnet meinem Labor ganz neue Fragen und Forschungsaspekte.“