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deutschHaploide Maiszellen als Ziel für die Regeneration von homozygoten genom-editierten Maislinien
Koordinator: Herr Clemens Springmann – ()
Projektbeschreibung
Haploide Zellen sind attraktive Ziele für das Einbringen von Genen oder Genome-Editing Komponenten, da dies eine Integration in eine vollständig homozygote Pflanze ermöglicht. Einzelzellsysteme, wie zum Beispiel Mikrosporen, haben den zusätzlichen Vorteil der Vermeidung einer Regeneration von Chimären.
Bei Mais gab es in der Vergangenheit bereits einige Ansätze, um die Vorteile eines auf Einzelzellen basierten Mikrosporensystems zu nutzen. Es konnte gezeigt werden, dass das Einbringen von DNA sowohl in Maismikrosporen, haploide Kalluszellen als auch in daraus abgeleitete Protoplasten möglich ist. Allerdings schränkten eine ausgeprägte Abhängigkeit vom verwendeten Genotypen in Verbindung mit einer geringen Regenerationsfrequenz die umfangreiche Anwendung dieser Methode bisher deutlich ein.
In dem vorliegenden HAGEMA Projekt soll die Regenerationsfähigkeit von Mais Mikrosporen gesteigert werden, indem neueste Erkenntnisse im Bereich der zellbiologischen Forschung berücksichtigt werden. In grundlegenden Studien konnte gezeigt werden, dass HDAC Proteine die Totipotenz im Verlauf der Pollenentwicklung unterdrücken kann. Bei Mikrosporen konnte gezeigt werden, dass der HDAC Inhibitor TSA die Totipotenz der Zellen aufrechterhalten kann. Dieser Erkenntnis könnte eine Schlüsselrolle bei der Überwindung der schwachen Regenerationsfähigkeit bei Mais zukommen.
Die Impedance Flow Cytometry (IFC) ist eine vergleichsweise neue Methode zur Bestimmung der Vitalität von Pflanzenzellen, insbesondere von Pollen. Es konnte auch gezeigt werden, dass die elektrische Charakterisierung von Maispollen eine Visualisierung der Kernstadienentwicklung ermöglicht. Beide durch IFC generierte Informationen können es ermöglichen, die Qualität des Ausgangsmaterials für die Mikrosporenkultur zu erhöhen. Der Arbeitsplan des Projektes sieht ein Screening von mehreren Genotypen auf deren Mikrosporenqualität sowie das Reaktionsvermögen auf eine TSA Applikation vor.
Aus embryogenen Mikrosporenkulturen werden Kallus Suspensionskulturen erstellt und daraus Protoplasten gewonnen. Das Projektziel ist erreicht, wenn ein stabiles auf Einzelzellen basierendes Regenerationssystem etabliert wurde, um über Genome-Editing Ansätze homozygote editierte Doppelhaploide Maispflanzen zu erstellen.
HAGEMA
Haploid maize cells as target for the regeneration of homozygous genome edited maize lines
Coordinator: Herr Clemens Springmann – (Institut)
Project description
Haploid cells are desirable targets for the delivery of genes or genome-editing compounds, since they would allow the integration into a completely homozygous plant. As a unicellular system, isolated microspores would avoid the formation of chimeric regenerants. In maize, many efforts have been made to take advantage of such a single cell based microspore system. The feasibility of DNA delivery into haploid maize cells has already been successfully demonstrated in microspores, haploid callus cells and protoplasts derived thereof. However, the strong genotype dependency accompanied by a poor regeneration ability impeded extensive application possibilities so far.
The HAGEMA research project is aiming to improve the regeneration ability of maize microspores by taking into account latest knowledge in cell biology. Recently, fundamental studies described the role of HDAC proteins in repressing totipotency during pollen development. In microspores it was demonstrated that HDAC inhibitor TSA can maintain totipotency. That finding may be a key factor to overcome recalcitrance in maize microspore culture. Impedance Flow Cytometry (IFC) is a novel technique to estimate plant cell viability, especially in pollen. It was also demonstrated that the electric characterization of maize pollen allows a visualization of the developmental nuclear stage. Both information generated by IFC will allow to increase the quality of the starting material for subsequent microspore culture. The working plan of the project proposes the screening of a set of genotypes with regard to microspore quality and susceptibility to TSA application. Embryogenic microspore cultures will be the basis for the establishment of callus suspension cultures, subsequently protoplasts will be derived thereof. The project goal is reached, when a robust single cell based regeneration system has been established as target for genome-editing approaches to end up with homozygous edited double haploid maize plants.
Teilprojekte
Laufzeit 01.07.2018 – 30.06.2020