Genomduplikation als Instrument der Pflanzenzüchtung
Pflanzen verfügen über die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr gesamtes Genom zu duplizieren, ein Prozess, der als Polyploidisierung bekannt ist. Dieses Phänomen hat eine zentrale Rolle in der Evolution der Pflanzen gespielt: Alle Samenpflanzen haben mindestens eine Runde der Duplikation des gesamten Genoms durchlaufen. Polyploide Pflanzen weisen im Vergleich zu ihren diploiden Vorfahren oft verbesserte Eigenschaften auf, darunter eine höhere Stressresistenz und flexible Fortpflanzungsstrategien. Diese Vorteile haben seit langem die Aufmerksamkeit von Pflanzenzüchtern auf sich gezogen, doch die zugrunde liegenden genetischen und epigenetischen Mechanismen sind nach wie vor kaum verstanden.
Eine evolutionäre Kraft in eine Züchtungsstrategie verwandeln
Das von der EU finanzierte Projekt POLYPLOID(öffnet in neuem Fenster) hat sich zum Ziel gesetzt, die Polyploidisierung bei einer Vielzahl von Nutz- und Modellpflanzen zu untersuchen. Das Ziel war es, evolutionäre Erkenntnisse in praktische Züchtungswerkzeuge umzusetzen. In diesem Zusammenhang kombinierte das Team interdisziplinäres Fachwissen in den Bereichen Genomik, Epigenomik, Transkriptomik und Phänotypisierung verschiedener Pflanzen. „Wir verfolgten einen multispezifischen Ansatz, der direkte Vergleiche ermöglichte, die von einem einzelnen Labor nicht durchgeführt werden könnten“, erklärt Projektkoordinator Emidio Albertini.
Wie Genomduplikation Pflanzen verändert
POLYPLOID untersuchte die Auswirkungen der Genomduplikation auf die Pflanzengenetik und den Phänotyp. Bei verschiedenen Modellspezies beobachtete das Team kurz nach der Polyploidisierung strukturelle Genomveränderungen, nicht zufälliger Genverlust oder -erhalt(öffnet in neuem Fenster) und gezielte epigenetische Modifikationen. Transkriptom- und Methylierungsanalysen(öffnet in neuem Fenster) zeigten koordinierte Veränderungen in der Genexpression, die sich auf Stresstoleranz, Zellzyklusregulation, Fortpflanzungsentwicklung und Zellwandarchitektur auswirkten. Bei mehreren Arten stieg die Anzahl der unterschiedlich exprimierten Gene mit dem Ploidiegrad an, was die Genomduplikation als starken Treiber für regulatorische Innovationen hervorhebt. „Wir haben eine Reihe von ‚ploidiesensitiven‘ Genen identifiziert, deren Expression sich mit der Verdopplung des Genoms konsistent verändert“, betont Albertini. „Diese Gene bilden eine molekulare Signatur der Polyploidie.“ Das Team untersuchte auch, wie die Genomduplikation zur Apomixis(öffnet in neuem Fenster) beiträgt, einer Form der asexuellen Fortpflanzung durch Samen, die es Pflanzen ermöglicht, ohne Befruchtung Nachkommen zu zeugen. Diese Fortpflanzungsstrategie wird häufig mit polyploiden Genomen in Verbindung gebracht und ist für Züchter von großem Interesse, da sie die Einführung von Merkmalen über Generationen hinweg ermöglicht. Durch die Identifizierung von Kandidatenwegen und molekularen Markern, die mit Apomixis in Verbindung stehen, legte das Projekt den Grundstein für Züchtungsansätze, die Polyploidie mit klonaler Samenproduktion kombinieren.
Überwindung der Triploidie-Blockade
Ein großes Hindernis für die Nutzung der Polyploidie in der Züchtung ist die Triploidie-Blockade(öffnet in neuem Fenster), ein postzygotischer Mechanismus, der die Bildung lebensfähiger Samen nach Kreuzungen zwischen Pflanzen mit unterschiedlichen Ploidiegraden verhindert. POLYPLOID ging diese Herausforderung an, indem es Kreuzungen zwischen diploiden und tetraploiden Individuen analysierte. Die Forschenden konzentrierten sich auf die abnormale Endosperm-Entwicklung, eine häufige Ursache für Samenabort. Obwohl das Projekt die Triploidblockade noch nicht vollständig überwunden hat, wurden wichtige beteiligte Signalwege identifiziert, darunter der Zucker- und Lipidstoffwechsel sowie die epigenetische Genstilllegung. Als potenzielle Hebel zur Stabilisierung der Samenentwicklung werden nun Kandidatengene, die aus Arabidopsis-Studien hervorgegangen sind(öffnet in neuem Fenster) untersucht.
Auf dem Weg zu einer nachhaltigen, widerstandsfähigen Landwirtschaft
Die bedeutendste Errungenschaft von POLYPLOID ist die Schaffung eines beispiellosen, mehrschichtigen Datensatzes, der Genomstruktur, Genregulation, Fortpflanzung und Feldleistung miteinander verknüpft. Diese Erkenntnisse werden den Weg für die polyploide Züchtung ebnen und Pflanzen mit erhöhter Stressresistenz, verbesserter Qualität und reduziertem Inputbedarf hervorbringen. „Die polyploide Züchtung wird wahrscheinlich die zukünftigen europäischen Lebensmittelsysteme beeinflussen, indem sie Pflanzen mit maßgeschneiderten Qualitätsmerkmalen hervorbringt“, schließt Albertini. Da der Klimawandel den Druck auf die europäische Landwirtschaft verstärkt, liefert POLYPLOID einen Entwurf für die Nutzung der Genomduplikation als bewusste Züchtungsstrategie und nicht als Zufallsereignis.
