Höhere Zahl aktiver Gene trägt zum Heterosiseffekt bei

Hybride komplementieren inaktive Gene der Elternlinien

31.01.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Erforschen die Gene von Maispflanzen: Prof. Dr. Frank Hochholdinger und Jutta Baldauf vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn im Gewächshaus. (Bildquelle: © Barbara Frommann/Uni Bonn)
Erforschen die Gene von Maispflanzen: Prof. Dr. Frank Hochholdinger und Jutta Baldauf vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn im Gewächshaus. (Bildquelle: © Barbara Frommann/Uni Bonn)

Die Nachkommen zweier Inzuchtlinien besitzen weit mehr aktive Gene als ihre Elternpflanzen. Dieser Effekt kommt zustande, weil inaktive Gene der einen Elternlinie häufig durch aktive Genvarianten der anderen Elternlinie ergänzt werden. Das könnte einen Teil des Heterosiseffektes erklären, also weshalb die Nachkommen zweier Inzuchtlinien ertragsstärker und robuster sind als ihre Elternlinien.

Wer ertragsstarke Maispflanzen sucht, der greift zu F1-Hybriden. Denn kreuzt man zwei reinerbige Inzuchtlinien, sind die Nachkommen – die mischerbigen F1-Hybriden – deutlich leistungsstärker als ihre Eltern. Diesen sogenannten Heterosiseffekt nutzen Züchter seit vielen Jahrzehnten, doch worauf er beruht, ist noch nicht abschließend verstanden.

Eine gängige Hypothese geht davon aus, dass in den Hybriden die „Stärken“ der einen Elternlinie die „Schwächen“ der anderen kompensieren: In reinerbigen Inzuchtlinien weisen beide Allele eines Gens die gleichen Eigenschaften auf. Ist dieses Gen in seiner Aktivität verringert, gibt es dafür keinen Ausgleich. Sofern dieses Gen in der anderen Inzuchtlinie jedoch eine normale Aktivität aufweist, gilt das ebenso für die mischerbigen Nachkommen. Sie haben von jeder Elternlinie ein Allel – und damit eine normal aktive Genvariante – erhalten. Weil beide Elternlinien so in den Nachkommen wechselseitig Schwächen ausgleichen, besitzen diese weit mehr Gene mit normaler oder gar erhöhter Aktivität.

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Auf Maisfeldern wachsen fast immer Hybridsorten, weil deren Ertrag höher ausfällt.

Auf Maisfeldern wachsen fast immer Hybridsorten, weil deren Ertrag höher ausfällt.

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Hybride besitzen mehr Gene

Eine Forschungsgruppe der Universität Bonn hat diese Hypothese weitergedacht: Diese wechselseitige Kompensation muss genauso für Gene gelten, deren Funktion in einer der beiden elterlichen Inzuchtlinien komplett verloren gegangen, in der anderen aber noch vorhanden ist (Single Parent Expression, kurz: SPE). Tatsächlich exprimieren die hybriden Nachkommen der Inzuchtmaislinien B73 und Mo17 zahlreiche Gene, die nur in einer der Elternlinien aktiv sind, wie das Team um Prof. Dr. Frank Hochholdinger und Jutta Baldauf zeigen konnte.

Um die allgemeine Gültigkeit dieses Effekts zu prüfen, hat die Gruppe in einer zweiten Studie die Inzuchtlinie B73 mit einer nah verwandten und fünf entfernt verwandten Inzuchtlinien gekreuzt. In drei Phasen der Wurzelentwicklung untersuchte die Gruppe das Transkriptom und verglich, welche Gene jeweils in den beiden Elternlinien und in den hybriden Nachkommen aktiv waren.

„Das bestätigte die Befunde unserer früheren Arbeit“, berichtet Jutta Baldauf: „Die Hybride besaßen immer eine weit größere Zahl aktiver Gene als ihre Eltern.“ Die Größenordnung überraschte jedoch alle Beteiligten: Die Hybride wiesen von jeder elterlichen Linie durchschnittlich rund 1.000 für Proteine kodierende Gene auf, die in der anderen elterlichen Linie jede Aktivität verloren hatten. In jeder der drei untersuchten Entwicklungsphasen waren in den Hybriden etwa 600 kodierende Gene mehr aktiv als in den elterlichen Inzuchtlinien. Am geringsten war die Anzahl von SPE-Genen erwartungsgemäß bei den Nachkommen der beiden nah verwandten Maislinien.

Inzuchtlinien verlieren junge Gene

Insgesamt besitzt Mais etwa 40.000 Gene. Ein großer Teil davon ist so alt, dass schon der gemeinsame Vorfahre von Mais und Sorghum diese Gene besessen haben muss. Werden Gene über so lange Zeit konserviert, erfüllen sie meist essenzielle biologische Funktionen. Die zuvor in nur einer Elternlinie exprimierten Gene der erzeugten Hybridpflanzen sind zu rund zwei Dritteln jedoch jüngeren Datums – obwohl der Anteil jüngerer Gene am Genom kleiner als ein Fünftel ist.

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Sorghum (Hirse) teilt mit Mais viele Gene. Doch es sind meist nicht diese alten Gene, die in Inzuchtlinien verloren gegangen sind.

Sorghum (Hirse) teilt mit Mais viele Gene. Doch es sind meist nicht diese alten Gene, die in Inzuchtlinien verloren gegangen sind.

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Häufig erfüllen die jüngeren Gene, die während der Züchtungsprozesse in den letzten Jahrhunderten entstandenen sind, redundante Funktionen. Geht ihre Aktivität verloren, bedroht das in der Regel nicht die Existenz der Pflanze, kann aber deren Ertrag oder Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen schmälern. Wird die Genaktivität infolge der Hybridzüchtung wie oben beschrieben wiederhergestellt, tritt der umgekehrte Effekt ein. „Die Komplementierung der SPE-Gene könnte einer der Faktoren sein, weshalb Hybride besser abschneiden als ihre Eltern“, resümiert Prof. Hochholdinger.

In der Bonner Studie zeigte sich weiterhin, dass zwei Familien von Transkriptionsfaktoren überproportional stark zu den SPE-Genen zählen. Da manche Transkriptionsfaktoren die Aktivität Hunderter Gene beeinflussen, könnten sich hieraus zusätzliche Verbesserungseffekte für die Hybride ergeben.

Ergebnisse sind allgemeingültig für Mais

Um auszuschließen, dass die Beobachtungen ausschließlich für Kreuzungen mit der Linie B73 zutreffen, kreuzte die Forschungsgruppe noch zwei andere Maisinzuchtlinien miteinander. Die Resultate glichen im Wesentlichen den vorangegangenen; lediglich war eine der beiden Familien von Transkriptionsfaktoren in diesem Fall nicht überrepräsentiert.

Die Entdeckung birgt großes Potenzial für die Züchtung: „Es könnte möglich sein, anhand der SPE-Gene spezifische Hybridisierungspartner auszuwählen, die zu besonders ertragreichen Hybriden führen“, glaubt Prof. Hochholdinger. Die SPE-Gene würden dabei als genetische Marker fungieren. Der Heterosiseffekt aber, da sind sich die Bonner sicher, wird nicht nur diese eine Ursache besitzen.

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