04.05.2021 - The Pennsylvania State University

Mutiertes Mais-Gen erhöht den Zuckergehalt in Samen und Blättern

Züchtung besserer Pflanzen führen könnte möglich werden

Eine abnormale Anhäufung von Kohlenhydraten - Zucker und Stärke - in den Körnern und Blättern einer mutierten Maislinie kann auf ein fehlreguliertes Gen zurückgeführt werden, und diese Entdeckung bietet Anhaltspunkte dafür, wie die Pflanze mit Stress umgeht.

Zu diesem Schluss kommen Forscher der Penn State University, die in einer früheren Studie das Mais-Gen ufo1 entdeckt haben, das für die Entstehung der mutierten Maislinie verantwortlich ist. Sie untersuchen nun seine Auswirkungen und sein Potenzial für die Züchtung neuer Maislinien, die in einer wärmeren Welt besser gedeihen können. Die Entdeckung höherer Zuckerspiegel im Pflanzengewebe in ihrer neuesten Studie ist nur ein weiterer Aspekt, den die Pflanzengenetiker berücksichtigen müssen.

"Diese Entdeckung hat Auswirkungen auf die Ernährungssicherheit und die Züchtung neuer Pflanzenlinien, die besser mit dem sich verändernden Klima zurechtkommen - bei Mais gibt es noch viel zu tun", sagt Surinder Chopra, Professor für Maisgenetik am College of Agricultural Sciences. "In der Tat gibt es eine große genetische und phänotypische Vielfalt bei Mais, und wir können diese Vielfalt nutzen und die Frage stellen: 'Wie ist das ufo1-Gen in den vorhandenen 10.000 Keimplasma-Linien verteilt?'"

Können Pflanzengenetiker einen Teil dieser Vielfalt auswählen und das ufo1-Gen einbauen, um Mais zu verbessern? Das ist die Frage, die Chopra zu beantworten versucht, beginnend mit dieser neuen Studie, die erhöhte Zuckerwerte in Samen und Blättern der mutierten Maislinie gefunden hat.

Welche Eigenschaften können im Mais mit Hilfe des ufo1-Gens verbessert werden?

"Sicherlich die Stresstoleranz, aber wahrscheinlich auch die Samenentwicklung, die sowohl Auswirkungen auf den Samenertrag als auch auf eine verbesserte Biomasse hat", sagte Chopra. "Und wir würden gerne einen besseren Pflanzentyp entwickeln, der in einer dichteren Kultur wachsen kann und trotzdem produktiver ist. Und schließlich müssen wir uns mit Resilienz und Nachhaltigkeit beschäftigen. Können wir Maislinien züchten, die mit weniger Düngereinsatz den gleichen Ertrag erzielen und weniger Wasser benötigen?"

Chopra begann mit der Erforschung des Mais ufo1-Gens, weil es mit einer orange-roten Pigmentierung in der mutierten Maislinie in Verbindung gebracht wurde. Der berühmte Maisgenetiker Charles Burnham von der Universität von Minnesota identifizierte diese auffällige ufo1-Mutante um 1960. Ein anderer bekannter Maisgenetiker, Derek Styles von der University of Victoria, Kanada, ein Student von Burnham, wählte dann den Namen, der für "instabiler Faktor für Orange" steht.

1997 schickte Styles Chopra Saatgut für die Mutantenlinie. Seitdem schleuste er ihre Gene in eine Inzuchtlinie ein, die von seiner Forschungsgruppe an der Penn State unterhalten wird. 2019 löste Chopra das genetische Geheimnis hinter ufo1.

Es stellte sich jedoch heraus, dass das Gen viele Pflanzeneigenschaften jenseits der Pigmentierung steuert. Dennoch ist ufo1 nur ein Gen, und es funktioniert nicht allein im Maisgenom, so Chopra.

Es gibt mehr als 30.000 Gene in der Maispflanze, daher ist es wichtig zu lernen, wie ufo1 mit anderen Genen interagiert, bevor Pflanzengenetiker es für die Züchtung einer neuen Art von Nutzpflanze verwenden könnten, fügte er hinzu. "Um den Züchtungsaspekt anzugehen, müssen wir zuerst lernen, wie dieses Gen tatsächlich funktioniert", sagte Chopra. "Wir müssen lernen, wie es mit Proteinen zusammenarbeitet, und das Lernen über diese Protein-Interaktionen wird das Ziel zukünftiger Forschung sein."

Aber für den Moment hat diese Studie gezeigt, wie die Akkumulation von Zuckern in Maissaatgut durch die Anwesenheit oder Abwesenheit des ufo1-Gens verändert wird, so Debamalya Chatterjee, Doktorandin in Agronomie, die die Forschung leitete.

"In Zukunft könnten wir dieses Wissen über das ufo1-Gen in der Züchtung nutzen, um bessere Kreuzungen durchzuführen, die widerstandsfähigere und produktivere Hybriden ergeben, bei denen Zucker und Stärke im Gleichgewicht sind", sagte er.

Die Forscher machten heute (3. Mai) einen Schritt in diese Richtung, als sie ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Plant Physiology veröffentlichten und berichteten, dass das mutierte Maisgen ufo1 die Zelldifferenzierung beeinflusst, die Kohlenhydrat- und Hormonakkumulation in der Pflanze beeinflusst und die Expressionsmuster essentieller Gene moduliert, die an der Maissamenentwicklung beteiligt sind.

Alle in der Studie analysierten Pflanzenmaterialien wurden in den Sommern 2016-2020 im Russell E. Larson Agricultural Research Center in Rock Springs sowie in Gewächshäusern und Pflanzenwachstumskammern auf dem University Park Campus von Penn State angebaut. Inbreds und genetische Bestände wurden vom Maize Genetics Cooperation Stock Center bezogen, das vom Agricultural Research Service des US-Landwirtschaftsministeriums verwaltet wird.

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