Genetische Grundlagen der circadianen Rhythmik

Tages- und jahreszeitliche Veränderungen im Tag-Nacht-Zyklus lösen entsprechende biologische und Verhaltensänderungen aus, wofür die so genannte circadiane Uhr zuständig ist. Eine europäische Studie untersuchte nun, wie Veränderungen in Genen, die diese Uhr regulieren, den Stoffwechsel von Pflanzen beeinflussen.

Gesundheit

Natürliche Variationen der circadianen Uhr verändern die Interaktion zwischen Umweltfaktoren und der zeitlichen Aktivierung wichtiger physiologischer Vorgänge in Pflanzen. Durch Umweltinteraktion entstehen mitunter komplexe Genotypen, die wiederum zu deutlich veränderten Metabolitenkonzentrationen führen können. Das Projekt "Network QTL mapping of circadian clock" (NETWORK QTL Mapping) klonierte drei Loci für den Stoffwechsel von Arabidopsis, die Variationen der circadianen Uhr regulieren, und suchte nach homologen Genen in zwei Brassica-Familien, einmal Brassica oleracea (Kohl und Brokkoli) sowie Brassica rapa (Rüben, Rucola und Senf). Die Forscher untersuchten phänotypische Parameter wie Schossen, Rosettendurchmesser und Blühzeit, die vom Tageslicht beeinflusst werden, sowie Sekundärmetaboliten wie Glucosinolate und phenolische Verbindungen, d.h. sekundäre pflanzliche Substanzen mit möglicher antioxidativer Wirkung. Kloniert wurden drei Loci, die für eine Variation der circadianen Uhr von Arabidopsis Bay x Sha zuständig sind, die die Zeit bis zur Blüte steuert. Mittels hochauflösender Kartierung und In-silico-Identifizierung von Kandidatengenen wurden die drei Gene anschließend amplifiziert. Zudem wurden Marker für Rekombinationsereignisse und kleinere Abschnitte der getesteten Loci entwickelt, was diese Regionen auf etwa 30 Gene eingrenzte. Parallel dazu erstellte NETWORK QTL MAPPING Netzwerke für alle Loci in diesen Regionen. Da sich die Expressionsmuster von Genen im gleichen Signalweg trotz unterschiedlicher zeitlicher und physiologischer Bedingungen ähneln, wurde in fast 1.400 Microarray-Tests jedes Kandidaten-Gen an ko-exprimierte Gene gekoppelt, um auf dieser Grundlage nach homologen Genen bei B. oleracea und B. rapa zu suchen. Gefunden wurden drei Kandidatengene für Glucosinolatgehalt und fünf Kandidatengene für Blühzeitpunkt, deren circadiane Regulierung hochvariabel ist. An Mutanten und transgenen Linien testete das Projekt, ob die Gene bei Phänotypen Variabilität steuern. Alle Kandidaten für die Glucosinolatproduktivität und zwei Gene für Blühzeitpunkt zeigten den erwarteten Phänotyp. Genaue Kenntnisse biochemischer Moleküle, die die Akkumulation von Sekundärmetaboliten in wichtigen Salat- und Gemüsekulturen durch die circadiane Uhr verändern, könnten von enormer Bedeutung für Zuchtprogramme sein. Zur Gattung Brassica zählen auch Sorten, die sich zur Erzeugung von Öl, Futter und Senf verwenden lassen und ökologisch bedeutsam für Schmetterlingslarven und Motten sind.

Schlüsselbegriffe

Circadiane Uhr, pflanzlicher Stoffwechsel, Kohl, Blütezeit, Glucosinolate

Network QTL mapping of circadian clock

Genetische Grundlagen der circadianen Rhythmik

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