Genomeditierung für mehr Ertrag

Weizen ist die weltweit bedeutendste Getreideart nach Mais und die Erntemenge beträgt ca. 800 Millionen Tonnen im laufenden Wirtschaftsjahr 2023/24. Um die Versorgungssicherheit für die weiterwachsende Weltbevölkerung zu gewährleisten, sind in den kommenden Jahren deutliche Ertragssteigerungen notwendig.

Chinesische Forscher haben dazu einen neuen Ansatz gefunden. Durch Genom-Editierung mit der Genschere CRISPR/Cas konnte das Team Weizenvarianten erzeugen, die höhere Erträge liefern. Im Fachmagazin Plant Biotechnology Journal erläutern die Forscher:innen, dass das Gen TabHLH489 eine Schlüsselrolle für die Korngröße spielt.

Neuer Ansatz für mehr Korn

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Die Regulierung der Korngröße ist eine entscheidende Strategie zur Verbesserung der Ernteerträge. Es geht dabei im Grunde darum, möglichst viel der von der Pflanze bei der Fotosynthese gebildeten Kohlenhydrate in die Samenentwicklung umzulenken. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zur Steuerung der Kornentwicklung waren bislang jedoch noch weitgehend unbekannt.

Mit genomweiten Assoziationsstudien und kartenbasierter Klonierung hat das Forscherteam nun einen für Weizen atypischen Basic Helix-Loop-Helix (bHLH)-Transkriptionsfaktor mit der Bezeichnung TabHLH489 identifiziert, der eng mit dem phänotypischen Merkmal Kornlänge verbunden ist.

Das Ausschalten des Gens für TabHLH489 und seinen homologen Genen mittels der Genschere CRISPR/Cas führte zu einer Zunahme der Kornlänge und des Korngewichts, während die Überexpression zu einer Abnahme beider Werte führte. Darüber hinaus konnten sie einen ganzen Regulationskomplex aufdecken: TaSnRK1α1, die α-katalytische Untereinheit des pflanzlichen Energiesensors SnRK1, interagierte mit TabHLH489 und phosphorylierte den Transkriptionsfaktor, um seinen Abbau zu induzieren und so die Entwicklung des Weizenkorns zu fördern. Eine Zuckerbehandlung induzierte ebenfalls die Anreicherung des TaSnRK1α1-Proteins und führte so zu einer Senkung des TabHLH489-Proteinspiegels.

Auch Brassinosteroide steuern die Korngröße

Darüber hinaus konnten die Forscher:innen zeigen, dass das Pflanzenhormon Brassinosteroid (BR) die Kornentwicklung fördert, indem es die TabHLH489-Expression über den Transkriptionsfaktor BRASSINAZOLE RESISTANT1 (BZR1) verringert. Eine weitere wichtige Beobachtung war, dass natürliche Variationen in der Promotorregion von TabHLH489 die BZR1-Bindungsfähigkeit beeinträchtigen und dadurch die TabHLH489-Expression beeinflussen.

Insgesamt konnte die Studie damit den grundlegenden Regulationsmechanismus für die Korngröße bei Weizen aufklären: das TaSnRK1α1-TabHLH489-Regulationsmodul, das auch BR- und Zuckersignale integriert. Damit steht nun der Weg offen, gezielt Weizensorten mit erhöhter Korngröße und Ertrag zu züchten.

Quelle:
Lyu, J. et al. (2024): „The TaSnRK1-TabHLH489 module integrates brassinosteroid and sugar signalling to regulate the grain length in bread wheat.“ In: Plant Biotechnology Journal (2024). doi: 10.1111/pbi.14319

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Titelbild: Um den Ertrag von Weizen zu steigern, ist vor allen die Korngröße entscheidend. Ein Forscherteam hat nun den Regulationsmechanismus der Korngröße identifiziert – Symbolbild. (Bildquelle: © Pflanzenfortschung.de)