Schalter im Erbgut
Neuer Werkzeugkasten für klimaresiliente Pflanzen
Symbolbild: Eine DNA-Helix mit angeknüpften Schaltern steht für die gezielte Regulation pflanzlicher Gene. Forschende entschlüsseln, wie Transkriptionsfaktoren die Aktivität bestimmter Gene steuern.“ (Bildquelle: © Pflanzenforschung.de)
Forschende entwickeln Methode, um wichtige DNA-Regulatoren gezielt zu finden – und liefern neue Ansätze für die Züchtung von trockenheitstolerantem Mais
Der Klimawandel stellt die Landwirtschaft bekanntermaßen vor enorme Herausforderungen: Hitzewellen, lange Trockenperioden und veränderte Niederschlagsmuster bedrohen Erträge weltweit. Um Nutzpflanzen schnell an solche Bedingungen anzupassen, brauchen Züchterinnen und Züchter präzise Informationen darüber, welche Stellen im Erbgut ihre Widerstandskraft steuern. Ein internationales Team unter Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich diese „genetischen Schalter“ in großem Maßstab aufspüren lassen – und das mit bislang unerreichter Genauigkeit.
Gene allein erklären nicht alles
Lange lag der Fokus der Pflanzenforschung auf den Genen selbst – den Abschnitten der DNA, die Proteine codieren. Doch viele Unterschiede zwischen Pflanzen, etwa in Größe, Ertrag oder Stressresistenz, werden durch Regulatoren gesteuert: kurze, nichtkodierende DNA-Abschnitte, die bestimmen, wann, wo und wie stark ein Gen aktiv ist. Diese Schalter wirken wie ein Dimmer für eine Lampe – sie verändern nicht den Bauplan, sondern die „Helligkeit“ der Genaktivität. Obwohl diese regulatorischen Schalter weniger als ein Prozent des Genoms ausmachen, erklären die Variationen häufig einen erheblichen Anteil der erblichen Merkmalsunterschiede – in manchen Fällen sogar mehr als die Hälfte.
Das Verständnis, wie diese regulatorischen Schalter wirken, liefert nach Aussage von Studienleiter Thomas Hartwig ein leistungsstarkes Werkzeug, um sowohl die Anpassungsfähigkeit als auch die Ertragsleistung von Kulturpflanzen zu verbessern. Sie kann die Basis für intelligentere Züchtungsverfahren in der Zukunft bilden.
So funktioniert MOA-Seq – Fußspuren im Erbgut finden
MOA-Seq steht für Mapping of Occupied Accessible sites Sequencing – eine Methode, um herauszufinden, wo im Erbgut die Steuerproteine einer Pflanze gerade „am Werk“ sind.
Offene DNA finden
Die DNA ist im Zellkern eng verpackt. Nur dort, wo sie „offen“ vorliegt, können Steuerproteine – sogenannte Transkriptionsfaktoren – binden und Gene aktivieren oder deaktivieren.
Fußabdrücke der Proteine erkennen
Mit einem Enzym, das nur offene DNA-Stellen zerschneidet, wird die DNA bearbeitet. Sitzt an einer Stelle ein Transkriptionsfaktor, blockiert er das Enzym – es bleibt ein winziger „Fußabdruck“ zurück.
Sequenzieren und kartieren
Die geschnittenen DNA-Stücke werden mit Hochdurchsatz-Sequenzierung gelesen. Am Computer lässt sich daraus präzise ablesen, wo die Fußabdrücke liegen – und welche Unterschiede es zwischen verschiedenen Genvarianten gibt.
MOA-Seq macht die Schalter sichtbar
Die neue Methode kombiniert eine spezielle Technik namens MOA-Seq (Mapping of Occupied Accessible sites Sequencing) mit einer Analyse genetisch unterschiedlicher Pflanzen. MOA-Seq erfasst, wo Transkriptionsfaktoren – Steuerproteine der Zelle – direkt an die DNA binden. Diese Bindestellen verraten, welche Schalter gerade aktiv sind. Das Forschungsteam nutzte 25 verschiedene Mais-Hybride, um eine große genetische Vielfalt abzudecken. So konnten sie erkennen, wie sich die Schalter bei verschiedenen Varianten unterscheiden – und sogar vergleichen, ob eine Schaltervariante von der Mutter- oder der Vaterpflanze stammt.
3.500 Schalter für Trockenheitstoleranz
Die Forschenden wandten ihre Methode gezielt auf Merkmale an, die bei Trockenheitsstress eine Rolle spielen, und identifizierten über 3.500 einzelne regulatorische Schalter sowie die dazugehörigen Gene, mit denen die Pflanzen auf wasserminimierte Bedingungen reagieren. „Unser Ansatz erlaubt es, die über die mütter- und die väterliche Linie vererbte Unterschiede der Schaltervarianten innerhalb eines einzigen Experiments direkt zu vergleichen. Wir stellen somit der Mais-Forschungsgemeinschaft einen Katalog von über 3.500 trockenheitsassoziierten Regulatorstellen zur Verfügung – und eröffnen so neue Möglichkeiten, die Genexpression gezielt für erhöhte Robustheit zu optimieren“, erläutert Julia Engelhorn.
Illustration der neuartigen Analysemethode. Die Traktoren stellen sogenannte Transkriptionsfaktoren dar: Proteine, die an genetische Schalter binden und Gene somit an- und abschalten können. Die Methode vergleicht das Erbgut von zwei verschiedenen Elternteilen, die unterschiedliche Eigenschaften haben (hier illustriert durch unterschiedliche Größe), innerhalb einer Hybridpflanze. Dadurch kann bestimmt werden, ob eine Änderung an der Schaltersequenz (orange Boxen) zu mehr oder weniger Bindung der Transkriptionsfaktoren führt, und dadurch Merkmale verändert.
Bildquelle: © Andi Kur / HHU, BY-NC-SA
Diese präzise Kartierung ermöglicht es, so Hartwig weiter, aus den natürlichen Unterschieden zu lernen, welche Schalter wie funktionieren, um sie dann gezielt zu modifizieren und damit Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln.
Blick in die „Blackbox“ des Genoms
Die Forschungsarbeit entstand in Kooperation mit einem Team der University of California in Davis, dem Dr. Samantha Snodgrass angehört. Sie betont den Perspektivwechsel, der mit dem Ansatz einhergeht: Trotz jahrzehntelanger erfolgreicher Forschung bleibt ein großer Teil des Genoms – derjenige außerhalb von Genen – eine Blackbox. Mit der neuen Methode können wir nun ein wenig Licht ins Dunkel bringen und die Funktion dieser nichtkodierenden Bereiche ermitteln. Biologen und Züchter bekommen so neue, präzise Ziele für neue Forschungs- und Entwicklungsansätze.
Ausblick: Breite Einsatzmöglichkeiten
Die Methode ist skalierbar und lässt sich auch auf andere Kulturpflanzen und Eigenschaften anwenden. Mit diesem Ansatz können Züchtungsprogramme künftig gezielter arbeiten – etwa um Mais, der auch in langen Trockenperioden hohe Erträge bringt, schneller zu entwickeln. Das ist ein entscheidender Schritt, um die Ernährungssicherheit in Zeiten des Klimawandels zu gewährleisten.
Quelle:
Engelhorn, J. et al. (2025). Genetic variation at transcription factor binding sites largely explains phenotypic heritability in maize. Nature Genetics. doi: 10.1038/s41588-025-02246-7
Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:
- Spezielle Transkriptionsregulation bei Pflanzen – Auf die Position kommt es an
- Wo binden Transkriptionsfaktoren (TF)? – Neue Methode zur genomweiten Analyse von TF-Bindestelle
- Der verschlungene Weg zum richtigen Blühzeitpunkt – „Blüh‘ wenn das Klima passt“
Titelbild: Symbolbild: Eine DNA-Helix mit angeknüpften Schaltern steht für die gezielte Regulation pflanzlicher Gene. Forschende entschlüsseln, wie Transkriptionsfaktoren die Aktivität bestimmter Gene steuern.“ (Bildquelle: © Pflanzenforschung.de)
