Big in Japan

Forscher finden entscheidendes Gen zur Regulierung der Korngröße von Japonica-Reis. Dieses kodiert einen Transkriptionsfaktor (OsSPL13), der die Größe und das Gewicht der Körner erhöht. Damit haben die Wissenschaftler eine wichtige Stellschraube zur Produktivitätssteigerung in Zeiten des Bevölkerungszuwachses in Fernost entdeckt.

Für die knapp 4,4 Milliarden Menschen des asiatischen Kontinents und damit mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung ist Reis (Oryza sativa) unangefochten das Grundnahrungsmittel Nummer Eins, und wird dies höchstwahrscheinlich auch lange bleiben. Eine große Herausforderung, denn laut UN-Prognosen müssen im Jahr 2050 nicht weniger als 5,2 Milliarden Asiaten mit Reis versorgt werden. Pflanzenzüchter und -forscher aus aller Welt arbeiten daher daran, die Produktivität, insbesondere die Erträge zu erhöhen. Nun haben Forscher eine weitere wichtige Stellschraube beim Japonica-Reis entdeckt: OsSPL13. Ein Transkriptionsfaktor, mit dessen Hilfe sich sowohl Größe als auch Gewicht der Reiskörner gezielt verändern lassen.

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#Suche nach dem Genlocus

Die Entdeckung des verantwortlichen Gens erfolgte im Zuge einer genomweiten Assoziationsstudie mit 381 Japonica-Reislinien. Eine Subspezies, die wahrscheinlich aus der Reiskultivierung vor rund 3.900 Jahren hervorging. Im Vergleich zum Indica-Reis, der im ähnlichen Zeitraum entstand, sind die Reiskörner des Japonica-Reis klein und rundlich (Rundkornreis), wobei zwischen zwei Ökotypen unterschieden wird: dem tropischen und subtropischen mit den typisch kleinen und rundlichen Körnern und dem in gemäßigten Breiten wachsenden, mit etwas längeren Reiskörnern.

Ziel der Forscher war es, den bis dato unbekannten genetischen Ursprungsort, den Quantitative Trait Locus (QTL), für die unterschiedlichen Korngrößen zu lokalisieren und für Züchtungszwecke nutzbar zu machen.

Fundort: Chromosom 7

Der Vergleich der 381 Linien (40 Vertreter des tropischen und subtropischen Ökotyps und 341 des gemäßigten) führte die Forscher zu einem rund 20 Megabasenpaare langen Abschnitt auf dem siebten Chromosom: GW7, die Kurzform für „grain lenght and weight on chromosome 7“.

Aus den elf Kandidatengenen, die die Forscher dort fanden, kristallisierte sich im Zuge weiterer Schritte ein Gen heraus, das einen Transkriptionsfaktor codiert: OsSPL13. Ein Pflanzenprotein aus der Familie der Squamosa-Promotor-Binding Proteine, die an vielen anderen Entwicklungsprozessen beteiligt ist, z. B. die Entwicklung von Blättern, Blüten und Früchten. Ob es sich dabei um das entscheidende Gen handelt, untersuchten die Wissenschaftler in Folgeexperimenten.

25 % mehr Gewicht pro Reiskorn

Wie sie herausfanden, besteht zwischen der OsSPL13-Aktivität und der Reiskorngröße ein positiver Zusammenhang. In Zahlen heißt das bis zu 30 % längere und 25 % schwerere Körner im Vergleich zu Reispflanzen mit eingeschränkter OsSPL13-Aktivität.

Ausschlaggebend für die erhöhte OsSPL13-Aktivität ist eine Punktmutation in einer Wiederholungssequenz innerhalb des Gens, Short-Tandem-Repeat Sequenz genannt. Die Forscher vermuten, dass es sich um das Erbe aus den Anfängen der Kultivierung des Japonica-Reises vor Tausenden Jahren handelt, als asiatische Bauern versuchten, den klein- und rundkörnigen Japonica-Reis durch Kreuzungen mit Indica-Reis ertragreicher zu machen. Von dieser Reis-Gruppe stammt phylogenetisch gesehen die Punktmutation ab.

Stärkung das Cytoskeletts

Im Gegensatz zu schon bekannten Genen, mit denen Züchter die Korngröße bereits beeinflussen können (z. B. GW2, qSWS5 oder GS3), steigert OsSPL13 jedoch weder die Zellteilung noch die -expansion, sondern die Zellgröße an sich. Zwei unterschiedliche, aber für sich genommen effektive Wege, die sich künftig sogar kombinieren ließen, hoffen die Forscher.

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Im aktuellen Fall erfolgt die Vergrößerung indirekt durch eine OsSPL13-bedingte Ankurbelung der Produktion von Zellwandproteinen (Expansin) und α-Tubulinen in den Körnern. Letztere bilden gemeinsam mit den β-Tubulinen die Hauptbestandteile der Mikrotubuli, die das Grundgerüst des Cytoskeletts bilden, dieses in diesem Fall zusätzlich verstärken.

Zwei Fliegen mit einer Klappe

Auch wenn der Großteil der globalen Produktion nach wie vor auf den Indica-Reis entfällt, ist auch der Japonica-Reis wirtschaftlich und kulturell von Bedeutung. Schließlich bildet der eher klebrige Rundkornreis die Grundlage jedes Sushigerichts, wird zumindest in Korea, Japan, Taiwan und China, in Australien, Russland, aber auch in der westlichen Welt wie in der USA und der EU häufiger angebaut und konsumiert als Indica-Reis.

Wie es aussieht, könnten unter der Zuhilfenahme von OsSPL13 gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen werden: Zum einen höhere Erträge für die Produzenten von Japonica-Reis und die Agrar- und Ernährungswirtschaft. Zum anderen optisch ansprechendere Reiskörner für die Verbraucher. Denn wie eine globale Studie aus dem Jahr 2014 ergab, bevorzuge die Mehrheit der asiatischen Konsumenten grundsätzlich längere Reiskörner. Und letztendlich entscheiden sehr oft diese kulturellen Aspekte über Erfolg- oder Misserfolg von Innovationen.