Ein Meilenstein für die Hybridzüchtung

Mit ein paar genetischen Eingriffen lässt sich Reis jetzt ungeschlechtlich vermehren

16.01.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

In der Natur vermehrt Reis sich geschlechtlich, was die Vorteile von Hybridpflanzen schon nach einer Generation wieder zunichtemachen kann. (Bildquelle: © Pixabay; CC0)
In der Natur vermehrt Reis sich geschlechtlich, was die Vorteile von Hybridpflanzen schon nach einer Generation wieder zunichtemachen kann. (Bildquelle: © Pixabay; CC0)

Die Hybridzucht erzeugt infolge des Heterosiseffektes besonders leistungsstarke Pflanzen. Doch schon in der ersten Folgegeneration geht diese Stärke meist verloren. Ließen sich diese Hybride aber ungeschlechtlich vermehren, blieben ihre positiven Eigenschaften vollständig erhalten. Genau das ist jetzt einer internationalen Forschungsgruppe bei Reis gelungen.

Rund 400 Pflanzenarten haben Mechanismen entwickelt, um keimfähige Samen ohne vorangehende Befruchtung zu produzieren. Allerdings findet sich dieser als Apomixis bezeichnete Prozess nicht bei den wichtigsten Nahrungspflanzen - sehr zum Bedauern der Pflanzenzüchter. Denn seit bald 100 Jahren ist eines ihrer wichtigsten Werkzeuge die Hybridzüchtung: Kreuzt man Inzuchtlinien miteinander, sind deren direkte Nachkommen besonders leistungsfähig. Aber schon in der nächsten Generation geht dieser sogenannte Heterosiseffekt verloren und die Züchter müssen neues Hybridsaatgut aufwendig herstellen. Ließen sich die erzeugten Hybridpflanzen jedoch ungeschlechtlich vermehren, erwüchsen aus ihren Samen immer wieder genetisch identische Klone mit den gleichen herausragenden Eigenschaften.

Dem Geheimnis der ungeschlechtlichen Fortpflanzung auf der Spur

Das Team um Venkatesan Sundaresan von der University of California in Davis hat daher nach Hinweisen gesucht, welches Gen eine Schlüsselrolle für die ungeschlechtliche Vermehrung spielen könnte. Sie stießen auf das Gen für den Transkriptionsfaktor BABY BOOM1 (BBM1). BBM1 wird nur in Spermien, nicht aber in den Eizellen exprimiert. Auch in der befruchteten Zelle wird zunächst nur das männliche Allel exprimiert, wie die Forscher mittels Fluoreszenzmarkierung nachweisen konnten. Erst später wird auch das weibliche Allel aktiv, vermutlich ausgelöst durch väterliches BBM1, da der Transkriptionsfaktor seinen eigenen Promotor aktivieren kann.

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Postdoc Imtiyaz Khanday und Professor Venkatesan Sundaresan untersuchen die klonierten Reispflanzen.

Postdoc Imtiyaz Khanday und Professor Venkatesan Sundaresan untersuchen die klonierten Reispflanzen.

Quelle: © Karin Higgins/UC Davis

Ein einzelner Transkriptionsfaktor ist maßgeblich

Knock-out-Mutanten zeigten anschließend: Ohne BBM1 des Vaters entwickelt sich kein Embryo. Schalteten die Pflanzenforscher aber in der unbefruchteten Eizelle das mütterliche Allel dieses Transkriptionsfaktors künstlich ein, entwickelte sich in einigen Fällen auch ohne männliches Zutun ein Embryo. Dieser Kunstgriff gelang, indem sie einen neuen Promotor aus Arabidopsis zur Aktivierung dieses Gens nutzen. „Die Expression eines einzigen Wildtyp-Transkriptionsfaktors – BBM1 – kann die Befruchtung als Voraussetzung ersetzen, um die Embryoentwicklung zu initiieren“, folgerten die Wissenschaftler.

Das eröffnet nicht nur spannende Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung, sondern erlaubt auch Spekulationen über die Evolution der ungeschlechtlichen Vermehrung: Die Fehlexpression eines einzigen Wildtyp-Gens genügt, um in einer sich normalerweise geschlechtlich vermehrenden Pflanze die Parthenogenese, also eine ungeschlechtliche Vermehrung, auszulösen.

In einem nächsten Schritt überprüften die Biologen ihre Entdeckung in der Praxis: Durch einen Eingriff mit der Genomeditierungsmethode CRISPR/Cas9 erzeugten sie Reispflanzen, die keine Meiose mehr durchführen konnten. Bei diesem Prozess wird normalerweise der Chromosomensatz in den Keimzellen halbiert und erst durch Befruchtung von Eizelle und Spermien kommt wieder ein vollständiger Chromosomensatz zustande. Stattdessen bildeten sich die Eizellen der modifizierten Pflanze nun durch Mitose und erhielten sämtliche Chromosomen von der Mutter. Damit nun daraus auch keimfähige Samen entstehen, aktivierten die Pflanzenforscher wie schon im vorangegangenen Experiment auch in diesen Pflanzen das weibliche Allel von BBM1. Der Erfolg stellte sich ein. „Wir hatten nun also eine diploide Eizelle, die die Fähigkeit hatte, einen Embryo zu bilden, der zu einem Samen-Klon heranwächst“, berichtet Sundaresan.

Reis erfolgreich kloniert

Der Abgleich von 57 Punktmutationen (SNPs) zwischen Elternpflanze und Nachkommen bestätigte, dass es sich bei den Nachkommen um genetisch identische Klone handelte. Zwar konnte nur in rund 30 Prozent der Fälle eine erfolgreiche Parthenogenese mit dieser Methode eingeleitet werden, doch diese Quote könnte sich durch bessere Promotoren und weitere Forschung steigern lassen, glauben die Forscher.

Auch in anderen wichtigen Kulturpflanzen sind homologe Gene zur Abschaltung der Meiose als auch zum BBM1-Gen von Reis bekannt, darunter bei Mais. Die Autoren der Studie äußern sich daher optimistisch: „Die hier beschriebenen Methoden für die asexuelle Vermehrung durch künstliche Apomixis sollte sich grundsätzlich auf die meisten Getreidepflanzen ausweiten lassen.“

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