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Establishing a new generation of horticulturists: Multidisciplinary approach for breeding innovative novelties using classical and biotechnological methods

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Biotechnologische Zuchttechniken erweitern die Farbmodifikationen von Zierpflanzen

Mithilfe klassischer und modernster biotechnologischer Techniken nutzte FLOWERPOWER Flavonoid-basierte Pigmente, um die Färbung von Zierpflanzen besser zu steuern und so die nächste Generation von Gartenfachkräften zu inspirieren.

Gesellschaft

Flavonoide sind organische Pflanzenverbindungen, die eine Reihe wichtiger physiologischer Funktionen in Bezug auf Überleben und Reproduktionserfolg erfüllen. Für die Erzeugung von Farben, die Bestäuber anlocken, sind sie die wichtigsten Pigmente der Pflanzen. Die Farben von Pflanzen spielen auch im Gartenbau eine wichtige Rolle, da sie die Kaufentscheidungen der Kundschaft beeinflussen. Bei Zierpflanzen sind kräftige Farben entscheidend, während bei Obst und Gemüse die rote Farbe von Haut und Fruchtfleisch zunehmend als Zeichen gesundheitsfördernder Eigenschaften gelten. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen hatte sich das Projekt FLOWERPOWER vorgenommen, Flavonoide und ihre Rolle bei der Pigmentierung besser zu verstehen, um die Möglichkeiten für die Züchtung von mehr Farbvariationen zu erweitern. Mit Inspiration von der kürzlichen Entdeckung neuer Flavonoide im Weihnachtsstern wandte die Forschungsgruppe Techniken aus der Genetik, der pflanzlichen Biochemie, der pflanzlichen Molekularbiologie, der Analytik und der Bioinformatik an. „Wenn bedeutende Wissenslücken geschlossen werden, kann das zu künftigen biotechnologischen Ansätzen in der Pflanzenzüchtung beitragen“, sagt Heidi Halbwirth, Koordinatorin der Projekts FLOWERPOWER von der Technischen Universität Wien (TUW) in Österreich. Aus dem Projekt gingen eine erfolgreiche Patentanmeldung und zwei Prototyp-Pflanzen mit neuartiger Enzymaktivität und/oder Färbung hervor. Die Ergebnisse führten außerdem zu acht Artikeln in begutachteten Fachzeitschriften und 165 Transkriptome wurden der Öffentlichkeit zu Forschungszwecken zur Verfügung gestellt.

Der Flavonoid-Signalweg

Für das Projektteam von FLOWERPOWER war die Existenz weißer Weihnachtssternblätter, sogenannter Brakteen, aus wissenschaftlicher Sicht erstaunlich. „Da dies nicht einfach durch die Abwesenheit eines der strukturellen Gene erklärt werden konnte, deutete es auf ein allgemeines wissenschaftliches Problem hin. Ein Verständnis dieser Tatsachen könnte Fachkräfte für Pflanzenzucht dabei unterstützen, den Zuchtvorgang zu beschleunigen“, fügt Halbwirth hinzu. Um den Flavonoidsignalweg bei der Pigmentbildung des Weihnachtssterns zu untersuchen, wurden die chemischen Profile roter und weißer Weihnachtssternbrakteen mithilfe zahlreicher Analysemethoden im Detail analysiert. Unter anderem wurden folgende Methoden eingesetzt: Hochleistungsflüssigkeitschromatografie, Protonen-Kernspinresonanz-basierte Metabolomik und Flüssigchromatografie mit Massenspektrometrie-Kopplung. Ausgewählte Gene von 38 Weihnachtssternproben wurden isoliert und die biochemischen Anweisungen für die seltene orange-rote Färbung wurden mittels RNA-Sequenzanalyse entschlüsselt. Als charakterisiert wurde, wie die Signalwege, die bei der Umwandlung von grünen Blättern in farbige Brakteen eine Rolle spielen, reguliert werden, wurden die Anweisungen für die unterschiedlichen Färbungen aufgedeckt. „So konnten wir endlich das ‚weiße Weihnachtssternparadox‘ erklären, d. h.: Wie können weiße Varietäten existieren, wenn die Genexpression und jede an der Bildung roter Pigmente beteiligte Enzymaktivität darauf hindeutet, dass eine rote Färbung der Brakteen vorherbestimmt sein sollte?“, erläutert Halbwirth.

Für neuartige Züchtungen

Mithilfe CRISPR/Cas9 schuf das Team die ersten genomeditierten Weihnachtssterne mit der seltenen und immer beliebteren orangen Farbe. Diese orange-roten Prototypen werden in Folgeprogrammen im Bereich Züchtung verwendet werden. Die Forschenden wandten auch einen transgenen Ansatz an, um Techniken zur Züchtung blauer Weihnachtssterne zu entwickeln, die unter kommerziellen Züchtenden beliebt sind. Außerdem wurde durch die neuen Zuchtansätze ein neuartiges Gen bei der Bildung gelber Flavonole ermittelt, was die Bedeutung von Genen für die Festlegung von Pigmenten, die für die gelbe Färbung verantwortlich sind, enthüllt. „Unsere biotechnologischen Ansätze zur Forschung in der Pflanzenzucht fördern die Innovation und bieten spannende Alternativen zu den traditionellen gewinnbringenden Varianten. Das kommt der Kundschaft und dem Gartenbau im Allgemeinen zugute“, merkt Halbwirth an.

Schlüsselbegriffe

FLOWERPOWER, Zucht, Gartenbau, Blätter, Weihnachtsstern, Biotechnologie, Gene, Färbung, Pigmente, Flavonoide, Pflanzen, CRISPR/Cas9

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