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Neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung

Forschende in der Gruppe von Raphael Mercier am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung haben herausgefunden, wie man Zugang zu großen Bereichen des Pflanzengenoms erhält, die den Züchtern seit Generationen praktisch verschlossen waren.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Plants, könnten erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung verbesserter Pflanzensorten mit höherer Krankheitsresistenz, höheren Erträgen und größerer Klima-Resilienz haben.

Wenn sich Pflanzen geschlechtlich fortpflanzen, mischen ihre Chromosomen das genetische Material durch einen Prozess namens „Crossover-Rekombination“ neu – dabei werden im Wesentlichen DNA-Abschnitte zwischen Chromosomenpaaren ausgetauscht. Diese Neuanordnung ermöglicht es Züchtern, wünschenswerte Merkmale verschiedener Pflanzensorten zu kombinieren.

Große Bereiche der Chromosomen, die von sogenannten Zentromeren umgeben sind, sind für diesen Prozess jedoch praktisch unzugänglich. Bei vielen Kulturpflanzen können diese „kalten Zonen“ enorm groß sein – bei Weizen und Gerste bedecken sie mehr als die Hälfte jedes Chromosoms.

Gene, die in diesen Regionen eingeschlossen sind, sind für Züchter im Grunde unsichtbar; sie können sie nicht mit benachbarten Merkmalen kombinieren oder von diesen trennen. Bei Gerste beispielsweise befinden sich 18 % aller Gene in diesen unzugänglichen Regionen. Bei der Tomate ist ein wichtiges Gen, das Resistenz gegen ein schädliches Virus verleiht, in einer solchen Region eingeschlossen – zusammen mit Millionen von Basenpaaren unerwünschten genetischen Materials, das Züchter seit Jahrzehnten nicht entfernen konnten.

Die neue Studie identifiziert drei Gene – CTF18, SGO2 und SPF2 –, die als Torwächter fungieren und genetische Rekombination in der Nähe von Zentromeren aktiv verhindern.

Als die Forschenden eines dieser Gene in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana deaktivierten, traten Kreuzungen in Regionen auf, in denen sie zuvor noch nie beobachtet worden waren.

Darüber hinaus führte die Deaktivierung von SPF2 allein zu einer mehr als dreifachen Steigerung der Rekombination in den zuvor „kalten“ Regionen. Wurden mehrere Gene gleichzeitig deaktiviert, waren die Effekte sogar noch größer, was zeigt, dass mehrere unabhängige molekulare Mechanismen zusammenwirken, um diese Chromosomenregionen gesperrt zu halten.

Bemerkenswert ist, dass die Pflanzen mit deaktivierten Genen weitgehend gesund und fruchtbar waren und eine normale Anzahl an Samen produzierten.

Nur die extremsten Mutationskombinationen führten zu einer Verringerung der Fruchtbarkeit, und bei keiner der mutierten Pflanzen wurden Wachstumsstörungen beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Freischaltung dieser Chromosomenregionen biologisch unbedenklich ist, zumindest bis zu einem beträchtlichen Grad.

Ein besonders vielversprechender Befund ist, dass Pflanzen, die nur eine – statt zwei – gestörte Kopie von SPF2 oder SGO2 trugen, bereits eine erhöhte Rekombination in den zuvor unterdrückten Regionen zeigten. Dieser sogenannte co-dominante Effekt bedeutet, dass die Mutationen leichter in Züchtungsprogrammen eingesetzt werden könnten, ohne dass beide Kopien eines Gens verändert werden müssten.

Die drei identifizierten Gene sind im gesamten Pflanzenreich verbreitet. Auch bei weiter entfernten Arten, einschließlich Tieren, kommen sie vor. Die Forschenden gehen davon aus, dass sich ihre Erkenntnisse auf wichtige Kulturpflanzen wie Weizen, Gerste, Mais und Tomaten übertragen lassen, bei denen die gesperrten Chromosomenregionen sogar noch größer sind.

Sie stellen sich vor, dass diese Mutationen vorübergehend in Zuchtlinien eingeführt werden könnten, um gewünschte genetische Kombinationen freizuschalten, und anschließend wieder entfernt werden könnten, sobald die Aufgabe erfüllt ist – was bedeutet, dass die endgültigen Pflanzensorten die Mutationen selbst nicht mehr tragen würden.

Weitere Forschungsergebnisse aus dem Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung erhalten Sie unter: https://www.mpipz.mpg.de/