Entdeckung eines Gens für die Wurzelanatomie könnte zur Züchtung widerstandsfähigerer Maispflanzen führen
Das Merkmal führt dazu, dass die Wurzeln mehr Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen können, weniger Dünger benötigen und Trockenheit besser standhalten
Eine neue Entdeckung, über die in einer globalen Studie berichtet wurde, die mehr als ein Jahrzehnt Forschung umfasste, könnte zur Züchtung von Maispflanzen führen, die Trockenheit und stickstoffarmen Bodenbedingungen standhalten und letztlich die weltweite Ernährungsunsicherheit verringern, so ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Penn State.
Querschnitte von Maiswurzeln, die eine genetische Variation für die Aerenchymbildung zeigen, bei der lebende Zellen in Lufträume umgewandelt werden. Jetzt, da die Forscher das mit diesem Phänotyp verbundene Gen gefunden haben, kann es ein Ziel für die Pflanzenzüchtung sein.
Tania Galindo Castaneda/Penn State
In den am 16. März in den Proceedings of the National Academy of Science veröffentlichten Ergebnissen haben die Forscher ein Gen identifiziert, das für einen Transkriptionsfaktor kodiert - ein Protein, das für die Umwandlung von DNA in RNA nützlich ist - und das eine Gensequenz auslöst, die für die Entwicklung eines wichtigen Merkmals verantwortlich ist, das es den Maiswurzeln ermöglicht, mehr Wasser und Nährstoffe aufzunehmen.
Dieses beobachtbare Merkmal oder dieser Phänotyp wird als Wurzelrinden-Aerenchym bezeichnet und führt dazu, dass sich in den Wurzeln Luftkanäle bilden, so der Leiter des Forschungsteams, Jonathan Lynch, Professor für Pflanzenwissenschaften. Sein Team an der Penn State University hat gezeigt, dass dieser Phänotyp die Wurzeln metabolisch billiger macht und sie in die Lage versetzt, den Boden besser zu erkunden und mehr Wasser und Nährstoffe aus trockenem, unfruchtbarem Boden aufzunehmen.
Die Identifizierung des genetischen Mechanismus, der hinter diesem Merkmal steht, schafft nun ein Zuchtziel, bemerkte Lynch, dessen Forschungsgruppe am College of Agricultural Sciences seit mehr als drei Jahrzehnten Wurzelmerkmale bei Mais und Bohnen in den Vereinigten Staaten, Asien, Lateinamerika, Europa und Afrika untersucht, um die Leistung der Pflanzen zu verbessern.
Die jüngste Forschungsarbeit wurde von Hannah Schneider geleitet, die zunächst Doktorandin und dann Postdoktorandin im Labor von Lynch war und jetzt Assistenzprofessorin für Pflanzenphysiologie an der Wageningen University & Research in den Niederlanden ist. In der Studie setzte sie leistungsstarke genetische Instrumente ein, die in früheren Forschungsarbeiten an der Penn State entwickelt worden waren, um eine "Hochdurchsatz-Phänotypisierung" durchzuführen, bei der die Eigenschaften von Tausenden von Wurzeln in kurzer Zeit gemessen wurden.
Mit Hilfe von Technologien wie der Laser-Ablations-Tomographie und der Anatomie-Pipeline sowie genomweiten Assoziationsstudien fand sie das Gen - einen "bHLH121-Transkriptionsfaktor" -, das bei Mais die Ausprägung des Wurzelrinden-Aerenchyms bewirkt. Das Auffinden und die anschließende Validierung der genetischen Grundlagen für das Wurzelmerkmal erforderten jedoch einen längeren Aufwand, wie Schneider betonte.
"Wir haben die Feldexperimente, die in diese Studie eingeflossen sind, ab 2010 durchgeführt und mehr als 500 Maislinien an Standorten in Pennsylvania, Arizona, Wisconsin und Südafrika angebaut", sagte sie. "Ich habe an all diesen Standorten gearbeitet. Wir haben überzeugende Beweise dafür gefunden, dass wir ein Gen gefunden haben, das mit dem Aerenchym der Wurzelrinde in Verbindung steht."
Der Nachweis des Konzepts dauerte jedoch sehr lange, so Schneider. Die Forscher schufen mehrere mutierte Maislinien, indem sie genetische Manipulationsmethoden wie das CRISPR/Cas9-Geneditierungssystem und Gen-Knockouts einsetzten, um den kausalen Zusammenhang zwischen dem Transkriptionsfaktor und der Bildung des Wurzelrinden-Aerenchyms nachzuweisen.
"Es hat nicht nur Jahre gedauert, diese Linien zu erzeugen, sondern auch, sie unter verschiedenen Bedingungen zu phänotypisieren, um die Funktion dieses Gens zu validieren", sagte sie. "Wir haben 10 Jahre damit verbracht, unsere Ergebnisse zu bestätigen und zu validieren, um sicherzustellen, dass es sich um das Gen und den spezifischen Transkriptionsfaktor handelt, der die Bildung des Wurzelrinden-Aerenchyms steuert. Es war ein langwieriger Prozess, diese Art von Arbeit auf dem Feld zu machen und Wurzeln von reifen Pflanzen auszugraben und zu phänotypisieren.
In der Veröffentlichung berichten die Forscher, dass funktionelle Studien zeigten, dass die mutierte Maislinie, bei der das bHLH121-Gen ausgeschaltet wurde, und eine CRISPR/Cas9-Mutantenlinie, bei der das Gen editiert wurde, um seine Funktion zu unterdrücken, beide eine verringerte Bildung von Aerenchymen in der Wurzelrinde aufwiesen. Im Gegensatz dazu wies eine Überexpressionslinie im Vergleich zur Wildtyp-Maislinie eine deutlich stärkere Bildung von Wurzelrinden-Aerenchym auf.
Die Charakterisierung dieser Linien unter suboptimaler Wasser- und Stickstoffverfügbarkeit in verschiedenen Bodenumgebungen ergab, dass das bHLH121-Gen für die Bildung von Wurzelrinden-Aerenchymen erforderlich ist, so die Forscher. Die Gesamtvalidierung der Bedeutung des bHLH121-Gens für die Bildung von Wurzelrinden-Aerenchym, so die Forscher, biete einen neuen Marker für Pflanzenzüchter, um Sorten mit verbesserter Bodenexploration und somit Ertrag unter suboptimalen Bedingungen auszuwählen.
Für Lynch, der Ende dieses Jahres aus der Fakultät für Pflanzenwissenschaften ausscheiden wird, ist diese Forschung der Höhepunkt seiner 30-jährigen Arbeit an der Penn State.
"Diese Ergebnisse sind das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit mit vielen Menschen an der Penn State und darüber hinaus", sagte er. "Wir entdeckten die Funktion des Aerenchym-Merkmals und dann das damit verbundene Gen. Außerdem wurden sie durch Technologien ermöglicht, die hier an der Penn State entwickelt wurden, wie z. B. Shovelomics - das Ausgraben von Wurzeln auf dem Feld -, Laserablationstomographie und Anatomie-Pipeline. All das haben wir in dieser Arbeit zusammengeführt."
Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung, so Lynch weiter, denn die Entdeckung eines Gens, das für eine wichtige Eigenschaft verantwortlich ist, die den Pflanzen zu einer besseren Dürretoleranz und einer besseren Stickstoff- und Phosphoraufnahme verhilft, ist angesichts des Klimawandels von großer Bedeutung.
"Das sind superwichtige Eigenschaften - sowohl hier in den USA als auch weltweit", sagte er. "Dürreperioden sind das größte Risiko für Maisanbauer und werden sich mit dem Klimawandel noch verschärfen, und Stickstoff ist der größte Kostenfaktor beim Maisanbau, sowohl aus finanzieller als auch aus ökologischer Sicht. Die Züchtung von Maissorten, die den Nährstoff effizienter aufnehmen können, wäre eine wichtige Entwicklung".
An der Forschung an der Penn State University waren Kathleen Brown, Professorin für Pflanzenstressbiologie, jetzt im Ruhestand, Meredith Hanlon, Postdoc-Stipendiatin am Department of Plant Science, Stephanie Klein, Doktorandin der Pflanzenwissenschaften, und Cody Depew, Postdoc-Stipendiat am Department of Plant Science, sowie Vai Lor, Shawn Kaeppler und Xia Zhang vom Department of Agronomy und Wisconsin Crop Innovation Center der University of Wisconsin beteiligt; Patompong Saengwilai, Fachbereich Biologie, Naturwissenschaftliche Fakultät, Mahidol Universität, Bangkok, Thailand; Jayne Davis, Rahul Bhosale und Malcolm Bennett, Future Food Beacon und School of Biosciences, Universität Nottingham, Loughborough, UK; Aditi Borkar, School of Veterinary Medicine and Science, Universität Nottingham, Sutton Bonington, UK.
Das US-Energieministerium, die Howard G. Buffett Foundation und das National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums unterstützten diese Forschung.
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