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H2020

Crossover control — Ergebnis in Kürze

Project ID: 703117
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Vereinigtes Königreich
Bereich: Grundlagenforschung, Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Beschleunigte Weizenzüchtung

Der Anbau von Nutzpflanzen ist ein ständiger Kampf mit Krankheiten und dem Wetter. Forscher haben den Transfer von Genen des wilden Weizens erleichtert, damit zukünftiger Brotweizen mit widrigen Bedingungen wie zum Beispiel Trockenheit zurechtkommt.
Beschleunigte Weizenzüchtung
Weltweit gibt es etwa 800 Millionen Menschen, die nicht genug zu essen haben. Um das zu ändern, müssen die Landwirte so viel Weizen erzeugen wie insgesamt seit dem Beginn der Landwirtschaft vor mehr als 100 000 Jahren.

Weizen ist wie die meisten bedeutenden Feldfrüchte polyploid, das heißt er hat mehr als zwei Chromosomensätze. Der heute angebaute Brotweizen hat sogar sechs Chromosomensätze. Das sorgt bei der Samenproduktion für Probleme, denn alle diese Sätze müssen sich paarweise zusammenfinden, um bei der Zellteilung (Meiose) lebensfähige Pollen und Eizellen zu produzieren. Weizen hat genetische Mechanismen entwickelt, um diese Polyploidie auszugleichen.

Das Projekt Crossover Control zielte darauf ab, neue Gene von verwandten wilden Weizenarten einzuführen und so den Ernteertrag zu erhöhen. Dazu mussten die Forscher die Paarung von Chromosomen des wilden Weizens und denen seiner moderneren Verwandten erleichtern. Außerdem wurde die Häufigkeit des Crossovers, bei dem die alten Gene mit den modernen gemischt werden, erhöht. Damit die Pflanze fruchtbar bleibt und weiter Weizensamen produziert, müssen sich die Chromosomen bei der Produktion von Geschlechts- oder Keimzellen während der Meiose in einem ausgeglichenen Verhältnis paarweise zusammenfinden.

Ein neues Hilfsmittel zur Zucht von Nutzpflanzen: Ph1

Wissenschaftler von Crossover Control haben mehrere Mechanismen entdeckt, mit denen das möglich ist. Einer davon beinhaltet das Schlüsselgen Ph1. „Als wir Weizenarten mit verschiedenen Deletionen eingesetzt haben, hat sich gezeigt, dass das Gen Ph1 zu mehr Crossover-Hybriden zwischen Weizen und seinen wilden Verwandten führt. Außerdem beeinflusste das die Effizienz der Paarungen und damit der hohen Fruchtbarkeit im entstehenden Brotweizen nur wenig“, erklärt Projektkoordinator Professor Graham Moore.

Daher beschäftige sich das Crossover Control Team dann tiefergehend mit der Wirkungsweise von Ph1. Im ersten Schritt wurden per Ethylmethansulfatbehandlung Mutanten für das Gen ZIP4 geschaffen, sogenannte TILLING-Mutanten. „Man weiß, dass ZIP4 bei einigen Arten das Crossover vermindert oder ganz verhindert. Damit ist es ein guter Kandidat zur Kontrolle des Ph1-Phänotypen“, bemerkt Prof. Moore.

Um die Ergebnisse des TILLING zu validieren, nutzten sie die CRISPR-Technologie (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) zur gezielten Deletion des ZIP4 Gens. Die ZIP4-Mutanten zeigten wiederum einen Anstieg der Hybride aus Weizen und wildem Weizen und nur wenige unkorrekte Paarungen, was auf gute Fruchtbarkeit in den Brotweizenpflanzen hindeutet.

Wichtige Nährstoffe steigern Gentransfer

Bei den Experimenten mit Mutanten ohne Ph1 untersuchten die Forscher ebenfalls, wie sich verschiedene Nährstoffe im Nährmedium auswirken. Bei der Hoaglandschen Nährlösung, die alle für das Pflanzenwachstum wichtigen Nährstoffe enthält, beobachteten sie, dass es bei der Meiose zu einer hohen Crossover-Rate kam.

„Weitere Tests zeigten, dass speziell das Mg2+-Ion für diesen Anstieg verantwortlich war“, bemerkt Prof. Moore. Wurden hybride Pflanzen ohne das Ph1 mit einer 1 mM Hoaglandschen Nährlösung behandelt, stieg die Häufigkeit des Crossover.

Um die Bedeutung der Ergebnisse zum Ph1 zu bestätigen, wurden die Daten in vier begutachteten Artikeln veröffentlicht, unter anderem in den Fachzeitschriften Chromosoma, Molecular Breeding, Nature Plants und Frontiers in Plant Science.

Die Nutzpflanzenforschung voranbringen – für gutes Brot

Die Ergebnisse zeigen bereits Wirkung, denn Züchter innerhalb und außerhalb der EU haben das TILLING ZIP4 Zuchtmaterial angefragt. Das Projekt Crossover Control hat diese Zuchtlinien ohne Beschränkungen wegen geistigen Eigentums bereitgestellt und jetzt werden sie in Zuchtprogrammen eingesetzt.

„Über 70 % der blühenden Pflanzen sind polyploid, einschließlich der meisten wichtigsten Nutzpflanzen der Erde wie Kaffee, Erdbeeren und Bananen“, bemerkt Prof. Moore. Der Einsatz des jetzt verfügbaren TILLING ZIP4 Materials wird Informationen zur Genetik anderer polyploider Pflanzen, und dazu wie sie die Samenproduktion meistern, liefern. „Es wird sehr interessant sein, herauszufinden wie viele andere polyploide Pflanzen dieses Gen nutzen, um sich selbst während der Meiose zu stabilisieren“, so Prof. Moore abschließend.

Schlüsselwörter

Crossover Control, Weizen, Ph1, ZIP4, Chromosom, Züchter, CRISPR
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