Mais, auch bekannt als Mais, wird in großem Umfang für eine Vielzahl von Verwendungszwecken angebaut, wie zum Beispiel als menschlicher Verzehr, Brennstoff und Futtermittel. Die Entschlüsselung der erstaunlichen Vielfalt von Mais hat Genetiker seit Jahrzehnten fasziniert und zur Verbesserung beigetragen eine der Hauptkulturen die die Welt ernähren. Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern der genetischen Enzyklopädie dieser unverzichtbaren Getreideart ein neues Kapitel hinzugefügt. Ihre Arbeit wird dazu beitragen, die Regeneration von transformierten Pflanzen zu verbessern, einem großen Engpass bei der Weiterentwicklung der Pflanzenbiotechnologie.
Wissenschaftler wenden sich der Pflanzentransformation zu, dem Einfügen von DNA aus anderen Organismen in das Genom einer Pflanze, um ein bestimmtes Gen zu untersuchen oder Nutzpflanzen für den Menschen zu züchten. Nehmen wir zum Beispiel Krankheiten. Wissenschaftler und Züchter könnten daran interessiert sein, Mais zu haben, der gegen Blattfäule resistent ist. Dazu könnten sie genetische Anweisungen einführen, um der Krankheit zusammen mit Genen zu widerstehen Agrobacterium tumefaciens, eine Art Ingenieur, der die genetischen Anweisungen in das Genom des Mais integriert. Diese resistente Pflanze wird nun transformiert. Aber wie können Wissenschaftler sicherstellen, dass die genetische Veränderung auf die kosten- und zeiteffektivste Weise an neue Pflanzen weitergegeben wird?
Biologen verwenden Gewebekulturen, um einen Klon derselben Pflanze, der die genetischen Veränderungen enthält, in einem Prozess, der als Zellkultur bezeichnet wird, neu zu züchten Geld-zurück-Garantie. Regeneration ist in den meisten Maislinien schwierig zu erreichen und in den meisten anderen Feldfrüchten fast unmöglich.
Hier kommt eine Linie eines ertragsarmen Maises namens A188 ins Spiel. Letzten Monat eine Gruppe von Forschern veröffentlicht in Das Erntejournal ein neues Referenzgenom für A188, das in seinem Genom Hinweise enthält, die helfen könnten, die Pflanzenregeneration bei anderen Maissorten zu verbessern.
A188 ist wie das hässliche Entlein von Mais: Es hat schlechte agronomische Eigenschaften, weil es viel kürzer ist, früher blüht und im Vergleich zu anderen Sorten einen geringeren Ertrag hat. Wenn also A188 auf dem Feld nicht so gut abschneidet wie andere produktivere Sorten, warum wäre es dann von Wert, sein Genom zu kommentieren? Es sind genau diese dramatischen Unterschiede, die das Studium von A188 so wertvoll machen.
„Das A188-Genom kann Informationen über die Blütezeit hinzufügen, die für die Maisproduktivität und die Saatgutqualität wichtig ist“, sagt Jiahn-Chou Guan, Maisforscher an der University of Florida. „Außerdem kann uns die vergleichende Analyse von Genomsequenzen aufgrund ihrer geringen Statur neue Informationen zur Kontrolle der Pflanzenarchitektur liefern.“
Ein weiterer erstaunlicher Unterschied besteht darin, dass A188 sich viel besser regenerieren oder aus Stammzellen nachwachsen lässt. Wissenschaftler fanden heraus, dass A188 im Vergleich zu anderen populären Forschungssorten eine Chance von 91 % hat, Pflanzen aus Gewebekulturen zu regenerieren: 1.67 % bei W22, 6.94 % bei Mo17 und 0 % bei B73. Es ist nicht bekannt, warum oder wie bestimmte Genotypen bei der Regeneration in Gewebekultur mehr oder weniger effizient sind, aber es wird angenommen, dass die Analyse des A188-Genoms hilfreich sein wird, um die Regenerationsfähigkeit in anderen Maislinien zu verbessern.
Ein weiterer neuer Aspekt dieser Forschung liegt in der Methodik. Die meisten Techniken zur DNA-Sequenzierung erzeugen hochgenaue kurze „Reads“ oder Sätze, und andere Methoden erzeugen lange Reads, sind aber fehleranfällig. Allerdings nutzte die Gruppe Forscher vom Maize Research Institute der Sichuan Agricultural University of China und der Berry Genomics Corp. in Peking, China Einzelmolekül-Sequenzierungsplattform von PacBio Stattdessen können sie das Beste aus beiden Welten in langen und hochpräzisen Lesevorgängen haben. Diese neue Methode erhöhte die Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zu zuvor veröffentlichten Maisgenomen. Nachdem das Genom zusammengesetzt war, verglichen die Forscher Seite an Seite die Chromosomen von A188 mit B73, Mo17 und W22 und stellten fest, dass etwa 30 % der A188-Gene große strukturelle Variationen oder Änderungen in der Struktur ihrer Gene aufwiesen. Diese Veränderungen könnten mögliche genetische Ursachen sein, die die physikalischen Unterschiede von A188 erklären und warum es so viel besser bei der Regeneration ist als andere Maissorten.
Die Forscher schränkten ihre Analyse auf eine Liste von 10 Kandidatengenen ein, die möglicherweise für die hohe Regenerationsfähigkeit von A188 verantwortlich sind. Diese Kandidatengene sind wertvolle genetische Ressourcen zur Verbesserung der genetischen Transformation und Regeneration von Mais.
Interessanterweise hat der meiste transgene Mais einen Teil seiner DNA, der von A188 stammt, da die beliebteste Maislinie, die für Transformation und Regeneration verwendet wird, Hi-II heißt, die von einer Kreuzung mit A188 abstammt.
„Auch nach mehreren Rückkreuzungen tragen die Transgene und CRISPRs einige des A188-Genoms. Gut zu wissen, was da drin ist!“ sagt Karen E. Koch, Maisforscherin an der University of Florida. „Außerdem wird unser Verständnis des Verhaltens von weißem Mais potenziell verbessert, wenn wir mehr über A188 wissen. Das Genom ist möglicherweise nützlich, um seine Rolle bei der Verbesserung von Mais nach der Domestizierung zu verfolgen, die wiederholte Selektionen auf Weiß beinhaltete vs. gelbe Kerne von verschiedenen Kulturen aus unterschiedlichen Gründen“.
Das Human Genome Project fügt derzeit Genome von Menschen aus der ganzen Welt hinzu, um ein Referenz-Pangenom zu erstellen, das repräsentativer für die menschliche genetische Vielfalt für die medizinische Forschung ist. In ähnlicher Weise wird das Mais-Pangenom die genetische Diversität von Mais mit der neuen Hinzufügung des A188-Referenzgenoms besser repräsentieren und zu viel mehr Entdeckungen beitragen.
FORSCHUNGSARTIKEL:
Fei Ge, Jingtao Qu, Peng Liu, Lang Pan, Chaoying Zou, Guangsheng Yuan, Cong Yang, Guangtang Pan, Jianwei Huang, Langlang Ma, Yaou Shen. Die Genomassemblierung der Mais-Inzuchtlinie A188 stellt ein neues Referenzgenom für die funktionelle Genomik dar. Das Erntejournal. 2021 https://doi.org/10.1016/j.cj.2021.08.002.
Nadia Mourad Silva ist promovierter Student an der University of Florida, der Maisgenetik und -physiologie studiert. Derzeit arbeitet sie daran, den Zuckerstoffwechsel im Kern zu verstehen. Nadia strebt danach, lebenslang zu lernen und erklärt gerne komplizierte Konzepte auf eine Weise, die jeder verstehen kann. Wenn sie nicht im Feld oder im Labor ist, hilft sie mit ihrem Partner, ihre Gärtnerei für tropische Pflanzen zu leiten.
Spanische Übersetzung von Lorena Villanueva Almanza
