Für Tomatengene gilt: Eins plus eins macht nicht immer zwei
Sowohl Menschen als auch Tomaten kommen in verschiedenen Formen und Größen vor. Das liegt daran, dass jedes Individuum einen einzigartigen Satz von genetischen Variationen - Mutationen - hat, die beeinflussen, wie Gene wirken und funktionieren. Wenn man Millionen kleiner genetischer Variationen zusammenzählt, ist es schwer vorherzusagen, wie sich eine bestimmte Mutation auf ein Individuum auswirken wird. Zach Lippman, Professor am Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) und Forscher am Howard Hughes Medical Institute, zeigte, wie genetische Variationen in Tomaten die Art und Weise beeinflussen können, wie eine bestimmte Mutation die Pflanze beeinflusst. Er arbeitet daran, die Auswirkungen von Mutationen auf verschiedene Tomatensorten vorhersagen zu können.
Verschiedene Kombinationen von Mutationen können die Größe von Tomaten unvorhersehbar beeinflussen. In diesem Bild zeigt die erste Spalte eine nicht mutierte (WT) Tomate. Die zweite und dritte Spalte zeigen Tomaten mit einer einzelnen Mutation in einer Region des Promotors (R1 oder R4) für das Fruchtgrößengen SlCV3. Die einzelnen Mutationen haben wenig Einfluss auf die Fruchtgröße. Aber die Kombination dieser beiden Mutationen (R1 + R4) ergibt eine viel größere Frucht.
Xingang Wang/Lippman lab, CSHL/2021
In dieser Studie verwendeten Lippman und sein Team CRISPR, ein hochpräzises und zielgerichtetes Gen-Editing-Tool, für zwei Tomatengene, die die Fruchtgröße kontrollieren, SlCV3 und SlWUS. Sie erzeugten über 60 Tomatenmutanten, indem sie kleine DNA-Stücke in den Promotorregionen entfernten, also in Bereichen in der Nähe der Gene, die deren Expression steuern. In einigen Fällen erhöhten einzelne Mutationen die Größe der Tomaten um ein kleines Stück. Einige Mutationspaare veränderten die Fruchtgröße überhaupt nicht. Einige wenige synergistische Kombinationen verursachten eine dramatische, unvorhergesehene Zunahme der Fruchtgröße. Lippman sagt:
"Der wahre Heilige Gral für die Pflanzenzüchtung ist die Vorhersagbarkeit. Wenn ich diese Sequenz mutiere, werde ich diesen Effekt erhalten. Denn es gibt dieses Meer von anderen Varianten, die die Natur in der Nähe der Mutation, die man manipuliert, angesammelt hat, und auch im gesamten Genom verstreut, von denen viele die spezifische Mutation, die man erzeugt, beeinflussen könnten."
Diese Bandbreite an Wechselwirkungen für zwei beliebige Mutationen modelliert die Folgen einer einzigen Mutation, die in unterschiedlichen genetischen Hintergründen auftritt. Der Effekt ist vergleichbar mit denen, die bei einigen menschlichen Krankheiten gefunden werden, bei denen manche Menschen bestimmte vorbestehende Mutationen haben, die sie vor krankheitsverursachenden Mutationen schützen.
Lippman und sein Team werden weiterhin quantifizieren, wie einzelne und kombinierte Mutationen bestimmte Pflanzeneigenschaften beeinflussen. Bislang haben sie die Wechselwirkungen zwischen zwei einzelnen Mutationen gemessen, aber Genome haben Millionen von Variationen. Lippman hofft, genügend messbare Wechselwirkungen zu untersuchen, um die Züchtung vorhersehbarer und effizienter zu machen.
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