Die Steigerung der Pflanzenproduktion ist der Kern der Ernährungssicherheit im 21st Jahrhundert. Eine Gruppe von Wissenschaftlern stellt sich dieser Herausforderung, indem sie die Sprossverzweigung untersucht, einen der Schlüsselfaktoren, die den Ertrag beeinflussen. Sie simulierten Zuchtversuche mit Selektion auf Verzweigung unter Verwendung von Computersimulationen gengesteuerter Merkmale. Sie fanden heraus, dass die Selektion auf Verzweigung aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Traits Hormonen und Saccharose, die die Verzweigung kontrollieren, schwierig ist.

Trotz des detaillierten Wissens über die molekularen und physiologischen Mechanismen der Verzweigung ist die Umsetzung dieser Entdeckungen in Zuchtergebnisse immer noch eine Herausforderung. Die Untersuchung des Gen-Phänotyp-Netzwerks komplexer Merkmale unter Verwendung von Vorkenntnissen über biologische Wechselwirkungen kann verborgene genetische Variationen aufdecken und Zwischenmerkmale identifizieren, die die Selektionsgenauigkeit und Effizienz der Züchtung für Verzweigungen erhöhen können.

Dr. Owen Powell, Postdoctoral Research Fellow bei der Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation an der University of Queensland und Co-Autoren entwickelten ein Gen-zu-Phänotyp-Netzwerk für die Sprossverzweigung. Mithilfe dieses Modells untersuchten sie das Ausmaß der verborgenen genetischen Variation, die das komplexe Merkmal der Sprossverzweigung und ihre Auswirkungen auf den genetischen Gewinn über Selektionszyklen hinweg steuert.

Das Diagramm auf der linken Seite zeigt einen Teil eines Stängels mit einem einzelnen Blatt. In der Achsel des Blattes befindet sich eine Knospe. In der Abbildung rechts hat sich die Knospe zu einem Seitenast verlängert.
Das Diagramm auf der linken Seite zeigt einen Teil eines Stängels mit einem einzelnen Blatt. In der Achsel des Blattes befindet sich eine Knospe. In der Abbildung rechts hat sich die Knospe zu einem Seitenast verlängert. Abbildung aus dem Digital Atlas of Ancient Life https://www.digitalatlasofancientlife.org/

Die Triebverzweigung hängt vom Auswuchs der Achselknospen ab, die sich in den Blattachseln bilden. Vorherige Forschung zeigten, dass die Zeit bis zum Auswachsen der Achselknospen durch die Hormonspiegel (Auxin, Cytokinine, Strigolactone) und Saccharose unter Verwendung eines empirischen Sprossverzweigungsnetzwerkmodells gesteuert wurde. Die Autoren erweiterten dieses Modell um explizite kausale genetische Effekte bei der Kontrolle des Hormon- und Saccharosespiegels.

Ein Flussdiagramm mit drei horizontalen Ebenen. Die unterste Ebene sind kausale genetische Loci, die 4 Gene für jedes intermediäre Merkmal auflisten. Pfeile von diesen zeigen auf die nächste Ebene, die die Zwischenmerkmale auflistet, die sie kontrollieren. Diese sind: Strigolactone, Auxin, Saccharose und Cytokinine. Ein seitlicher Pfeil zeigt von Auxin zu Strigolactonen. Ein weiterer seitlicher Pfeil zeigt von Saccharose zu Cytokininen. Strigolactone und Cytokinine sind die Signalintegratoren für das Knospenwachstum, das Zielmerkmal der Selektion.
Schießen Sie das Verzweigungsgen auf das Phänotyp-Netzwerk. Zehn kausale genetische Loci und Wechselwirkungen bestimmen die Konzentrationen jeder der Zwischenmerkmale: Strigolactone (SL), Auxin (A), Saccharose (Suc) und Cytokinine (CK). Die Konzentrationen dieser Zwischenmerkmale (Hormone, Saccharose und der Signalintegrator), ihre Wechselwirkungen und zufälligen Fehler wiederum bestimmen die Zeit bis zum Knospenwachstum einer einzelnen Pflanze.

Die Autoren traten auf in silico Selektionsexperimente, um festzustellen, ob die Netzwerkansicht der Sprossverzweigung in Pflanzen Auswirkungen auf die Vorhersage der Reaktion auf die Zuchtselektion hat. Das tat es und es gab viele Überraschungen! Die Selektion auf das Sprossverzweigungsgen zum Phänotypnetzwerk für schnelleres Knospenwachstum war nicht erfolgreich. Powell erklärt: „Wir haben erwartet, dass die Reaktionen auf die Selektion im Laufe der Zeit abnehmen und schließlich ein dauerhaftes Plateau erreichen. Stattdessen sahen wir eine Kombination aus temporären und permanenten Plateaus, insbesondere bei Saccharose. Dies ist ein Hinweis auf genetische Kanalisierung, eine aufstrebende Eigenschaft der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des Sprossverzweigungs-Gen-zu-Phänotyp-Netzwerks.“

Selektionspfade für das Sprossverzweigungs-G2P-Netzwerk für schnelleres Knospenwachstum.

Genetische Kanalisierung beschreibt ein Phänomen der Gen-zu-Phänotyp-Karte, wenn der Phänotyp resistent gegen genetische Veränderungen ist, in diesem Fall verursacht durch Selektionsdruck.

Um die Treiber der unerwarteten Reaktionen auf die Selektion zu untersuchen, untersuchten sie dann die Muster der Hormon- und Saccharosespiegel und die Allelhäufigkeit der Populationen über die Selektionszyklen. „Die nicht exprimierte genetische Expression für Saccharose lässt sich durch die komplexe Wechselwirkung zwischen Saccharose- und Strigolacton-Signalgebung im Gen-zu-Phänotyp-Netzwerk erklären. Mehrere genetische Kombinationen von Saccharose und Strigolacton erzeugen ähnliche Werte für das Knospenwachstum, was zu Genotypen mit völlig unterschiedlichen Kombinationen von Strigolacton- und Saccharosespiegeln führt, die ähnliche Werte für die Zeit bis zum Knospenwachstum erzeugen“, fuhr Powell fort.

Ein Diagramm, das die kryptische genetische Variation für Saccharose erklärt. Das Diagramm hat drei horizontale Ebenen. Die unterste Ebene zeigt kausale genetische Loci mit komplexen Signalwechselwirkungen zwischen den intermediären Merkmalen der Saccharose- und Strigolacton-Signalübertragung auf der zweiten Ebene. Diese Merkmale konvergieren auf der obersten Ebene, dem Zielmerkmal des Knospenwachstums, was darauf hinweist, dass völlig unterschiedliche Kombinationen von Strigolacton- und Saccharosespiegeln ähnliche Werte für die Zeit bis zum Knospenwachstum erzeugen.
Schematische Erklärung der genetischen Kanalisierung von Gen-Phänotyp-Netzwerken. Mehrere genetische Kombinationen von Zwischenmerkmalen erzeugen ähnliche Werte für das Zielmerkmal, was zur Anhäufung kryptischer genetischer Variationen führt, auf die durch Selektion nicht zugegriffen werden kann.

Es wird erwartet, dass die genetische Kanalisierung in anderen komplexen Merkmalen wie dem Getreideertrag allgegenwärtig ist, die aus Wechselwirkungen zwischen mehreren Genen, Merkmalen, Umgebungen und agronomischen Managementpraktiken resultieren. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer vorausschauenden Züchtung, um eine Netzwerksicht auf komplexe Merkmale zu nehmen, um unser Verständnis der Selektionsreaktion und der Effizienz der Entwicklung widerstandsfähiger Pflanzen für zukünftige Klimazonen zu verbessern.

DER ARTIKEL::

Owen M Powell, Francois Barbier, Kai P Voss-Fels, Christine Beveridge, Mark Cooper, Untersuchungen zu den entstehenden Eigenschaften von Gen-zu-Phänotyp-Netzwerken über Selektionszyklen hinweg: Eine Fallstudie zur Sprossverzweigung in Pflanzen, in silico Plants, 2022;, diac006, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac006