Ein Führer durch das Genom
Pflanzen weisen eine enorme Vielfalt an züchtungsrelevanten Merkmalen auf, wie Pflanzenhöhe, Ertrag und Schädlingsresistenz. Eine der größten Herausforderungen in der modernen Pflanzenforschung ist es, die Unterschiede in der genetischen Information zu identifizieren, die für diese Variation verantwortlich sind. Ein Forscherteam um die Arbeitsgruppe "Crop Yield" am Institut für Molekulare Physiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Carnegie Institution of Science in Stanford hat nun eine Methode entwickelt, um genau diese speziellen Unterschiede in der Erbinformation zu identifizieren. Am Beispiel von Mais demonstrieren sie in der Fachzeitschrift Genome Biology das große Potenzial ihrer Methode und stellen Regionen im Maisgenom vor, die bei der Züchtung helfen können, Erträge und Resistenzen gegen Schädlinge zu steigern.
Wegweiser durch das Maisgenom: Mit einer neu entwickelten Methode lassen sich die Unterschiede in der genetischen Information identifizieren, die für die Variation von Pflanzenmerkmalen zwischen verschiedenen Sorten verantwortlich sind. Dies kann für eine gezielte Züchtung genutzt werden, um z. B. die Erträge zu steigern.
Paul Schwaderer, andriigorulko / valiantsin – stock.adobe.com
Der Bauplan aller Organismen ist in ihrer DNA verschlüsselt. Dazu gehören die Gene, die für die Proteine kodieren und die angeborenen Eigenschaften eines Organismus bestimmen. Daneben gibt es weitere wichtige Abschnitte der DNA, insbesondere die Bereiche, die die Regulierung der Gene steuern, d.h. wann, unter welchen Bedingungen und in welchem Umfang die Gene aktiviert werden.
Im Vergleich zu den Genen sind diese regulatorischen Regionen - auch "cis-Elemente" genannt - jedoch schwer zu finden. Dabei sind es gerade Veränderungen in diesen DNA-Elementen, die maßgeblich für die Unterschiede zwischen Organismen - und damit auch zwischen verschiedenen Pflanzensorten - verantwortlich sind.
In den letzten Jahrzehnten haben Forscher herausgefunden, dass die regulatorischen Regionen die Bindungsstellen für bestimmte Proteine sind. Diese so genannten Transkriptionsfaktoren bestimmen, wann und wie lange Gene aktiviert werden.
Co-Autor Dr. Thomas Hartwig, der die Forschungsgruppe Crop Yield am Institut für Molekulare Physiologie der HHU und am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln leitet: "Unter den Abermillionen nicht-kausaler Genomunterschiede die wenigen Variationen zu finden, die für die Veränderung von Merkmalen wie Schädlingsresistenz entscheidend sind, ist die ultimative Suche nach der Nadel im Heuhaufen."
"Im Gegensatz zu proteinkodierenden Genen können regulatorische Stellen in der Regel nicht allein anhand der Sequenz identifiziert werden. Das macht es sehr schwierig, sie zu lokalisieren. Unsere Methode verwendet Hybridpflanzen, um die direkten Auswirkungen von Variationen in der DNA-Sequenz auf die Bindung von Transkriptionsfaktoren zu messen", sagt der Hauptautor Professor Dr. Zhi-Yong Wang von der Carnegie Institution for Science.
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Forschern des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben sowie der University of Nebraska-Lincoln und der Iowa State University in den USA entwickelt.
Anhand von Hybriden, also der ersten Generation von Pflanzen, die durch Kreuzung zweier Sorten entstanden sind, kann das Forscherteam vergleichen, welche regulatorischen Regionen sich über das gesamte Genom hinweg unterscheiden. Co-Autorin Dr. Julia Engelhorn: "Mit unserer Analysemethode können wir genau messen, ob Transkriptionsfaktoren mehr an das mütterliche oder väterliche Genom binden." Dieses Verfahren hat es dem Team auch ermöglicht, Tausende von Unterschieden zu identifizieren, die mit Merkmalen wie Ertrag und Schädlingsresistenz bei Mais in Verbindung stehen.
Die Technologie wurde für einen Transkriptionsfaktor im Brassinosteroid-Stoffwechselweg demonstriert, ein Hormon, das mit Wachstum und Krankheit in Verbindung steht. Institutsleiter Professor Dr. Wolf B. Frommer: "Das Team hat Tausende von genomischen Variationen identifiziert, die erklären können, warum sich eine Maissorte in Bezug auf ihren Ertrag oder ihre Krankheitsresistenz unterschiedlich verhält. Außerdem konnte das Team zeigen, dass diese Unterschiede fast zu gleichen Teilen genetisch und epigenetisch bedingt sind." Letzteres beschreibt Prozesse, die die Genaktivität beeinflussen, ohne in der DNA-Sequenz selbst kodiert zu sein.
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist eine Liste von mehr als 6.000 Genomregionen, die für die Pflanzenzüchtung ins Visier genommen werden können. Darunter können auch Regionen sein, in denen bei bestimmten Maissorten positive Eigenschaften ausgeprägt sind, die anderen Pflanzen fehlen.
Hartwig: "Zu wissen, wo im Genom moderne Züchtungsmethoden eingesetzt werden können, um Eigenschaften von bestimmten Sorten auf andere zu übertragen, ist für die Biotechnologie von großer Bedeutung. Unsere Studie kann als Leitfaden dienen, wie man diese interessanten Genomregionen finden kann." Professor Frommer fügt hinzu: "Die Ergebnisse der Studie legen den Grundstein für den Einsatz moderner Techniken zur Züchtung neuer Maissorten durch geschickte Kombination der optimalen Varianten."
Gefördert wurde die Studie durch den Exzellenzcluster CEPLAS der HHU, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), die Carnegie Institution for Science, den Alexander von Humboldt-Professor Wolf B. Frommer, die US National Institutes of Health und das Ministerium für Wirtschaft, Tourismus, Landwirtschaft und Forsten des Landes Sachsen-Anhalt.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Holen Sie sich die Lebensmittel- und Getränke-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
