Wissenschaftler nutzen genetische Mutationen, um den Pflanzenzüchtungsprozess zu beschleunigen

Forscher der Iowa State University haben möglicherweise eine seit langem bestehende Herausforderung im Zusammenhang mit der beschleunigten Entwicklung rein genetischer Linien gelöst.

Die Verwendung von „doppelt haploider“ (DH) Genetik ist zu einer der grundlegenden Technologien geworden, die die moderne Maiszüchtung untermauern. Die DH-Technologie hat jedoch sowohl Herausforderungen als auch Vorteile. Erstens erfordert es die Schaffung von „haploiden“ Pflanzen, die nur ein einziges, mütterliches Genom tragen. Das einzelne Genom der haploiden Pflanze wird dann durch einen chemischen Prozess verdoppelt, der die Entwicklung genetisch reiner Inzuchtlinien beschleunigt.

Einer der größten Engpässe der DH-Technologie besteht darin, dass haploide männliche Blüten normalerweise steril sind. Dieses Problem erfordert, dass die Sämlinge der giftigen Chemikalie Colchicin ausgesetzt werden, die die Genomverdopplung anspornt und den männlichen Blüten die Fruchtbarkeit zurückgibt. Das Verfahren ist arbeits- und kostenintensiv.

Kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse in Natur Pflanzen teilt Neuigkeiten über eine von den Wissenschaftlern entdeckte Mutation mit, die die männliche Fruchtbarkeit bei Haploiden ohne Verwendung von Colchicin wiederherstellt. Die Arbeit wurde von Siddique I. Aboobucker, Forschungswissenschaftler in Agronomie, mit Thomas Lübberstedt, Frey-Lehrstuhl für Agronomie und Direktor des Raymond F. Baker Center for Plant Breeding, und dem ehemaligen Agronomie-Doktoranden Liming Zhou durchgeführt.

Sie zeigten, dass die Ausnutzung von Mutationen, die die Positionierung des Spindelmechanismus während der als Meiose bekannten Reproduktionsphase der Pflanze verändern, die männliche Fruchtbarkeit von haploiden Pflanzen wiederherstellen kann.

Der Spindelmechanismus hilft, die Zellteilung auf Kurs zu halten. Während der normalen Meiose sind die Spindeln in normalen „diploiden“ Pflanzen, die zwei Chromosomensätze enthalten, in senkrechten Paaren angeordnet, die sich leicht aneinanderreihen. Bei haploiden Pflanzen sind die Chromosomen während der Zellteilung ungleich verteilt, was zu hohen Unfruchtbarkeitsraten in den nächsten Reproduktionsphasen führt.

Um dieses Problem anzugehen, hatte Aboobucker eine Inspiration, von der das Team überzeugt war, dass es sich lohnt, sie zu untersuchen. Sie stellten die Hypothese auf, dass eine Reihe von genetischen Pflanzenanomalien, die als parallele Spindelmutanten oder „ps-Mutanten“ bekannt sind und die Spindeln während der Meiose in eine parallele statt in eine senkrechte Position bringen, die männliche Fruchtbarkeit bei Haploiden verbessern könnte. Sie testeten die Idee an Arabidopsis thaliana, einer Modellforschungspflanze, die oft als Vorläufer für die Arbeit mit Mais und mehreren anderen Pflanzenarten verwendet wird.

Es funktionierte – die haploiden mutierten Pflanzen wuchsen und die meisten waren fruchtbar. Die Ergebnisse stützen ihre Idee, dass die ungleiche Anordnung von Spindelfasern während einer kritischen Phase der Meiose bei den haploiden Männchen überwunden werden kann, indem die Tendenz der Mutanten ausgenutzt wird, eine horizontalere Spindelbildung zu verursachen.

„Die Verwendung dieser Mutation zur Überwindung des männlichen Fruchtbarkeitsproblems bei haploiden Pflanzen ist vielversprechend, um die derzeit vorhandenen ressourcenintensiven Protokolle für künstliche (chemische) Genomverdopplungsmethoden zur Gewinnung von DH-Linien zu überwinden“, sagte Lübberstedt.

Er schreibt Aboobucker den größten Verdienst zu, der das Projekt leitete, um eine Lösung für dieses langjährige Rätsel der männlichen haploiden Unfruchtbarkeit zu finden.

„Mir wird langsam klar, dass das eine große Sache ist“, sagte Aboobucker. „Die Reaktionen von Kollegen auf der ganzen Welt seit der Veröffentlichung unseres Artikels im letzten Monat waren etwas überwältigend.“

Lübberstedt und Aboobucker glauben, dass die von ihnen identifizierten nützlichen Mutationen – mit einigen Modifikationen – auf Mais und andere Feldfrüchte angewendet werden können. Die Erforschung dieses Potenzials ist eines der nächsten Projekte am Horizont.