Studie aus Illinois enthüllt genetische Geheimnisse von Amerikas Lieblingssnack
In seiner einfachsten Form ist Popcorn ziemlich unkompliziert. Bei den meisten Supermarktsorten hat man die Wahl zwischen zwei Kornfarben, gelb oder weiß, und zwei Kornformen, spitz oder perlförmig. Beim Aufplatzen entfaltet sich die Flocke in der Regel zu einer von zwei Formen: Pilz oder Schmetterling. Aber hinter Popcorn steckt mehr, als man auf den ersten Blick sieht. Neue Forschungsergebnisse der University of Illinois Urbana-Champaign zeigen, dass im genetischen Code von Popcorn eine große, bisher ungenutzte Vielfalt schlummert.
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Mehrere Popcornsorten veranschaulichen einen Teil der genomischen Vielfalt, die in einer Studie der Universität von Illinois gefunden wurde. Die Ergebnisse könnten künftige Züchtungsbemühungen erleichtern, um schmackhaftere und leichter zu züchtende Versionen von Amerikas Lieblingssnack zu schaffen.
Madsen Sullivan, University of Illinois
Bei der Analyse von 320 öffentlich zugänglichen Popcornlinien fanden die Pflanzenforscher Variationen an mehr als 308.000 Stellen im Genom. Diese Vielfalt kann sich für die Verbraucher in einer größeren Popcornvielfalt niederschlagen oder auch nicht, aber einige der Unterschiede könnten für die Verbesserung der agronomischen Leistung der Pflanze wichtig sein.
"Dies könnte hilfreich sein, wenn Popcornfirmen Material zur Diversifizierung ihres Keimplasmas einführen wollen, was für Dinge wie Krankheitsresistenz und Herbizidtoleranz äußerst wichtig ist. Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um interessante Merkmale zu identifizieren, aber dieser Datensatz eröffnet diese Möglichkeiten", sagt Tony Studer, Mitautor der Studie, außerordentlicher Professor und Popcornzüchter in der Abteilung für Nutzpflanzenwissenschaften, die zum College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences in Illinois gehört.
Studers Team dokumentierte die genetischen Unterschiede in einem Verfahren, das als Genotypisierung durch Sequenzierung bekannt ist und den Fokus der genetischen Sequenzierungsbemühungen auf die informationsreichsten Teile des Genoms einschränkt. Die Unterschiede, oder Polymorphismen, zwischen den Maislinien traten auf der Ebene einzelner Nukleotide, den Bausteinen der DNA, auf.
Popcorn-Populationen
Nachdem das Team Hunderttausende von Unterschieden identifiziert hatte, konnte es die Maislinien nach Mustern von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) gruppieren, was den Forschern Rückschlüsse auf die Verwandtschaft ermöglichte. Der Analyse zufolge lassen sich die nordamerikanischen Popcorns in zwei Gruppen einteilen: Die eine besteht hauptsächlich aus gelben, perlförmigen Typen, während weiße, spitze und lateinamerikanische Typen in eine zweite Gruppe fallen.
"Die Gruppierung von Popcorn auf der Grundlage genetischer Ähnlichkeiten ermöglicht es uns, die in jeder Gruppe vorhandene Vielfalt zu betrachten und die Leistung von Kreuzungen zwischen Linien besser vorherzusagen. Wenn sich herausstellt, dass ein Gen die Leistung verbessert, hilft die Kenntnis der Gruppenzugehörigkeit den Züchtern, dieses Gen in ihr Programm aufzunehmen. Ich hoffe, dass die Popcornhersteller dies nutzen werden, um ihre Produkte sowohl für die Verbraucher als auch für die Züchter zu verbessern", sagt Madsen Sullivan, Doktorandin in Pflanzenwissenschaften und Erstautorin der Studie.
Die Ergebnisse zeigten ein hohes Maß an Inzucht bei gelbem Perlpopcorn. Das bedeutet eine geringere genetische Vielfalt und eine größere Verwandtschaft innerhalb dieser Gruppe. Obwohl dies zu besseren Populationsmerkmalen geführt hat, enthält das Material der anderen Gruppe wahrscheinlich Versionen von Genen, die nützlich sein könnten, aber in den gelben Perlenkörnern nicht vorhanden sind.
Die Analyse bietet auch einen Ausgangspunkt, um die lange Geschichte der Verbreitung von Popcorn in Nordamerika und der Welt aufzudecken. Studer sagt, dass die ersten Menschen, die Mais verzehrten, ihn wahrscheinlich gepoppt und nicht mit Butter bestrichen auf dem Maiskolben aßen. In einer Folgestudie arbeitet er daran, die frühen Ursprünge von Popcorn nachzuzeichnen.
Entmystifizierung der Herbizidtoleranz von Popcorn
Nachdem der genetische Code von Popcorn geklärt war, wollten die Forscher ein langjähriges Rätsel im Zusammenhang mit der Kennzeichnung von Herbizidanwendungen lösen. Nicosulfuron tötet seit den frühen 1990er Jahren Unkräuter in Maisfeldern, ist aber nur für gelbkernige Hybriden zugelassen; Landwirte werden ausdrücklich davor gewarnt, es bei weißkernigem Popcorn einzusetzen.
"Das war für mich ein Warnsignal, denn die Farbe des Korns sollte nichts mit der Herbizidempfindlichkeit zu tun haben", sagt Mitautor Marty Williams, Ökologe beim USDA-ARS und Professor für Pflanzenwissenschaften in Illinois. "Die Farbe der Kerne wird von Genen in einem ganz anderen Teil des Genoms gesteuert".
Williams arbeitete mit Studers Team zusammen, um 294 Popcorn-Genotypen aus beiden Populationen zu testen, die gelbe Perlengruppe und die weiße spitze und lateinamerikanische Gruppe; übrigens ist keine der beiden Gruppen ausschließlich gelb oder weiß, trotz ihrer Namen. Die Forscher wendeten Nicosulfuron auf die Testgruppe sowie auf empfindliche und tolerante Popcorn- und Zuckermais-Hybriden als Kontrollen an.
Nicosulfuron schädigte zwar mehr Popcorn mit weißen Kernen, aber der Effekt hatte nichts mit der Kornfarbe selbst zu tun. Stattdessen korrelierte die Nicosulfuron-Empfindlichkeit mit dem genetischen Erbe und der Populationsstruktur. Die spitzen und lateinamerikanischen Typen waren empfindlicher als gelbe Perlen. In Zahnmais wird Nicosulfuron durch ein Gen namens nsf1 entgiftet. Die Forscher suchten sofort nach demselben Gen in Popcorn und nahmen an, dass es in den toleranten Genotypen aktiv sein würde.
"Wir erwarteten, dass nsf1 in Popcorn auftauchen würde, aber stattdessen fanden wir eine ganze Reihe anderer Gene, die mit der Nicosulfuron-Toleranz in Zusammenhang zu stehen schienen", sagt Studer. "Das eröffnet die Möglichkeit eines alternativen Mechanismus für die Herbizidtoleranz in Popcorn, und wir planen, dies weiter zu verfolgen.
Nächste Schritte
Williams empfiehlt den Popcornzüchtern, diese Forschungsergebnisse zu nutzen, um die Toleranz gegenüber Nicosulfuron und vielleicht auch anderen Herbiziden bei ihren bestehenden und neuen Sorten zu verbessern. Dann könnten die Herbizidetiketten aktualisiert werden, um die Toleranz in der gesamten Kulturpflanze, unabhängig von der Kornfarbe, widerzuspiegeln.
Könnten die Ergebnisse der Genomstudie die agronomischen Eigenschaften von Popcorn verbessern? Laut Studer wird es noch mehr Arbeit erfordern, den Datensatz auf erwünschte Eigenschaften zu untersuchen, aber schließlich könnten Elite-Popcornlinien entwickelt und von Popcornunternehmen vermarktet werden.
Die Studie "Genetic diversity of North American popcorn germplasm and the effect of population structure on nicosulfuron response" wurde in der Zeitschrift Crop Science veröffentlicht. Madsen Sullivan, Marty Williams und Tony Studer sind die Autoren. Die Forschung wurde von der University of Illinois finanziert, und Sullivan wurde durch ein Stipendium der Illinois Corn Growers Association unterstützt.
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