Welche Anstrengungen haben Wissenschaftler unternommen, um Ihnen dabei zu helfen, mehr und süßeres Zuckerrohr zu essen? (Runter)

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yin Xin (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Im heißen Sommer bringt ein Glas eisgekühlter Zuckerrohrsaft Kühle und Süße.

Bei kaltem Wind spendet eine Schüssel braunes Zuckerwasser Wärme und Nahrung.

Diese einfachen „kleinen Freuden“ des täglichen Lebens sind alle mit der Zuckerrohrernte verbunden. Aber wissen Sie es? Die Süße des Zuckerrohrs ist nicht angeboren; Es ist das Ergebnis wiederholter Verbesserungen des Zuckerrohr-Keimplasmas durch Wissenschaftler.

Lassen Sie uns heute die Geschichte von Wissenschaftlern und Zuckerrohr erzählen.

Was ist das Keimplasma von Zuckerrohr? Es ist rasseabhängig.

Was ist das Keimplasma von Zuckerrohr? Viele Leute denken, es handele sich um eine Zuckerrohrsorte, aber tatsächlich gibt es einen Unterschied zwischen den beiden.

Nur Zuckerrohr, das die Sortenzulassung bestanden hat, darf als Zuckerrohrsorte bezeichnet werden. Dies ist die Art von Zuckerrohr, die wir sehen können. Vor der Sortenzulassung können alle möglichen Zwischenprodukte als Keimplasma bezeichnet werden, und auch gentechnisch verändertes Zuckerrohr kann als Keimplasma bezeichnet werden.

Daher können wir davon ausgehen, dass das Keimplasma die genetische Grundlage des Zuckerrohrs darstellt und entscheidend für die Qualität des Zuckerrohrs ist.

Um hochwertiges Zuckerrohr auszuwählen, testen Wissenschaftler es anhand mehrerer Indikatoren und legen eine Reihe von Standards fest, darunter Zuckergehalt, Ertrag, Krankheitsresistenz, Insektenresistenz, Kälteresistenz, Dürreresistenz, mehrjährige Wurzelbildung und Wachstumsrate. Beispielsweise gibt der nationale Standard „Zuckerrohr“ (GB/T 10498-2010) einen Mindestgehalt an Saccharose von 12 % an. Durch diese Tests können Wissenschaftler das „hervorragende Keimmaterial“ mit dem größten Potenzial auswählen, sodass es bei zukünftigen Anpflanzungen eine größere Rolle spielen kann.

Zuckerrohr hat ein riesiges Genom und die Hybridzüchtung ist oft zeitaufwendig und arbeitsintensiv

Wissenschaftler haben viele Anstrengungen unternommen, um Zuckerrohr süßer und ertragreicher zu machen.

Die gängigste Methode ist die Hybridzüchtung, die ein bisschen mit der „Partnersuche“ für Zuckerrohr vergleichbar ist. Neben der Kreuzung verschiedener Zuckerrohrsorten kann sich Zuckerrohr auch mit „nahen Verwandten“ (im Allgemeinen anderen Arten der Gattung Saccharum in der Untertribus [Saccharinae]) und sogar „entfernten Verwandten“ (im Allgemeinen anderen Arten außerhalb der Gattung Saccharum in der Untertribus [Saccharinae], die mit Zuckerrohr gekreuzt werden können, wie z. B. Saccharum, Rhizoma, Psoralea, Miscanthus usw.) paaren und deren Vorteile erben [6].

Zu den „nahen Verwandten“ und „entfernten Verwandten“ des Zuckerrohrs zählen zahlreiche wilde Keimplasma-Ressourcen. Unter dem Druck der natürlichen Selektion in der Wildnis neigen sie dazu, mehr Gene für hervorragende Eigenschaften wie Krankheitsresistenz und Stressresistenz zu behalten. So wie die guten Gene der Eltern an ihre Kinder weitergegeben werden, hoffen die Wissenschaftler, mit dieser Methode Zuckerrohr mit hohem Zuckergehalt, hohem Ertrag und stabilem Ertrag anzubauen.

Beispielsweise können einige Zuckerrohrsorten resistent gegen Krankheiten sein, aber einen niedrigen Zuckergehalt aufweisen, während andere Sorten zwar einen hohen Zuckergehalt aufweisen, aber anfällig für Krankheiten sind. Durch Kreuzung hoffen Wissenschaftler, die Vorteile dieser beiden Sorten zu vereinen.

Aufgrund des großen und komplexen Genoms des Zuckerrohrs beträgt seine Genomgröße jedoch etwa 10 Gb [6], während die menschliche Genomgröße etwa 3 Gb beträgt [7]. Der Mensch ist ein diploider Organismus, der sich aus einer befruchteten Eizelle entwickelt und über 46 Chromosomen verfügt. Spermien und Eizellen als menschliche Fortpflanzungszellen haben die Hälfte der Chromosomenzahl wie somatische Zellen, nämlich jeweils 23 Chromosomen, was als haploid bezeichnet wird. Wenn Spermium und Eizelle sich zu einer befruchteten Eizelle vereinigen, wird die Zelle wieder diploid. Als diploid bezeichnet man also einen Organismus, dessen Zellen zwei Chromosomensätze enthalten, einen Satz vom „Vater“ und einen Satz von der „Mutter“.

Zuckerrohr ist viel komplizierter. Während seiner Evolution hat das gesamte Genom mehrere „Polyploidisierungsereignisse“ (d. h. eine Verdoppelung der Chromosomenzahl) durchlaufen [8]. In Verbindung mit einer chaotischen Hybridisierung mit „Verwandten“ ist das Genom des Zuckerrohrs polyploid, mit Hunderten von Chromosomen, und die „Eltern“ jeder Sorte sind unterschiedlich, was zu unterschiedlichen Genomen führt. Auch wenn die „Eltern“ dieselben sind, können die daraus resultierenden genetischen Kombinationen sehr unterschiedlich sein, was tatsächlich der Fall ist bei „Ein Drache bringt neun Söhne zur Welt, jeder ist anders.“ Daher verläuft der Hybridzuchtprozess nicht immer reibungslos und manchmal ist das neu gezüchtete Zuckerrohr-Keimmaterial nicht so gut wie erwartet. Dieser Prozess nach dem Prinzip „auf gut Glück“ ist zeitaufwendig und mühsam und erfordert von den Wissenschaftlern jahrelange oder sogar jahrzehntelange Beobachtungen und Untersuchungen.

Neue Ideen zur Verbesserung des Zuckerrohrs: Erforschung der Technologie zur Bearbeitung hyperploider Gene

Um diese Probleme zu lösen, haben Wissenschaftler in den letzten Jahren begonnen, Technologien zur Genomeditierung zu erforschen. Anders als bei der Hybridzüchtung nach dem „Versuch-und-Irrtum“-Prinzip ist die Genomeditierung wie ein „Präzisionsbeschneiden“.

Gen-Editierung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wissenschaftler können Gene finden, die die Süße des Zuckerrohrs, seine Krankheitsresistenz und andere Eigenschaften beeinflussen, indem sie das Genom, das Transkriptom (Veränderungen der Genexpression) und das Proteom (Vorhandensein und Menge an Protein) verschiedener Zuckerrohrsorten vergleichen und analysieren. Darüber hinaus führen sie Homologieanalysen bei „entfernten Verwandten“ des Zuckerrohrs durch, die bereits intensiver untersucht wurden, wie etwa Sorghumhirse, Mais und Reis.

Beispielsweise kann Gen A bei anfälligen Sorten von Krankheitserregern zum Auslösen von Krankheiten genutzt werden, während bei krankheitsresistenten Sorten Gen A seine Funktion verloren hat und nicht von Krankheitserregern genutzt werden kann, sodass keine Krankheit auftritt. Mithilfe der Gen-Editing-Technologie können wir das Gen A bei anfälligen Sorten „herausschneiden“, sodass es – genau wie bei krankheitsresistenten Sorten – nicht von Krankheitserregern genutzt werden kann. Nach einer solchen gezielten Transformation können hervorragende Eigenschaften wie ein hoher Zuckergehalt und eine hohe Widerstandsfähigkeit schnell erreicht werden.

Allerdings ist die Genomeditierung auch mit Schwierigkeiten verbunden und die dafür benötigte Technologie ist komplex, insbesondere bei hochploiden Nutzpflanzen wie Zuckerrohr. Wie bereits erwähnt, hat Zuckerrohr mehrere „Polyploidisierungsereignisse“ durchlaufen, was zu einer großen Anzahl homologer Gene geführt hat, d. h., dasselbe Gen kann mehrere Kopien im Genom aufweisen. Wenn eine Genomeditierung erforderlich ist, müssen alle diese homologen Gene gleichzeitig verändert werden. Daher sind effiziente Methoden zur Genomeditierung erforderlich. Wenn beispielsweise die Effizienz der Genbearbeitung 50 % beträgt und die Erfolgsrate der gleichzeitigen Bearbeitung zweier homologer Gene 25 % beträgt, dann beträgt die Erfolgsrate der gleichzeitigen Bearbeitung von 10 homologen Genen nur 0,098 %; Wenn die Effizienz der Genbearbeitung auf 80 % erhöht wird, kann die Erfolgsrate der gleichzeitigen Bearbeitung zweier homologer Gene theoretisch 64 % erreichen, und die Erfolgsrate der gleichzeitigen Bearbeitung von 10 homologen Genen kann theoretisch 10,7 % erreichen. Daher ist die Verbesserung der Effizienz der Genomeditierung ein Ziel, das Wissenschaftler anstreben [4].

Ob Hybridzüchtung oder Gen-Editing-Züchtung: Wissenschaftler arbeiten ständig daran, uns süßeres und ertragreicheres Zuckerrohr zum Verzehr zu bringen. Im Bereich Zuckerrohr beispielsweise züchten Wissenschaftler ständig neue Sorten, die besser schmecken, süßer und saftiger sind, sodass das Kauen von Zuckerrohr für die Menschen ein angenehmeres Erlebnis bietet. Im Zuckerrohranbau konzentrieren sich die Wissenschaftler auf die Verbesserung des Zuckergehalts, des Ertrags, der Krankheitsresistenz usw., um die Zuckerproduktion effizienter zu gestalten und Ertrag und Qualität sicherzustellen.

Abschluss

Die Wissenschaft war nie weit von unserem Leben entfernt. Zuckerrohr, das gewöhnlich aussieht, verkörpert tatsächlich die harte Arbeit und Weisheit vieler Wissenschaftler. Hinter jedem süßen Bissen stecken unzählige Erkundungen und Experimente, Misserfolge und Erfolge sowie schöne Erwartungen für die Zukunft der Landwirtschaft.

Wenn Sie das nächste Mal einen Schluck braunes Zuckerwasser probieren, denken Sie vielleicht an diese still arbeitenden Wissenschaftler. Ihre Bemühungen machen jeden süßen Bissen in unserem täglichen Leben köstlicher.

(Hinweis: Lateinische Teile im Text sollten kursiv gedruckt werden)

Quellen:

1.Mintz, SW (1985). Süße und Kraft: Der Platz des Zuckers in der modernen Geschichte. Penguin-Bücher.

2.Eggleston, G., & Legendre, BL (2003). Qualitätsmanagement von Zuckerrohrsaft bis Rohzucker: Fabrikbetrieb in Louisiana. International Sugar Journal, 105(1256), 8-18.

3.Rein, P. (2007). Rohrzucker-Engineering. Bartens.

4. De Souza, AP, Grandis, A., Leite, DC, & Buckeridge, MS (2014). Zuckerrohr als Bioenergiequelle: Geschichte, Leistung und Perspektiven für Bioethanol der zweiten Generation. Bioenergieforschung, 7(1), 24-35.

5. Tang Liangdong. (2024). Grüne und kohlenstoffarme Entwicklung der Zuckerrohrindustrie in Guangxi: aktuelle Situation, Herausforderungen und Strategien. Zuckerrohr-Zuckerindustrie, 53(3): 74-79.

6. Dong Guangrui, Shi Jiaxian, Hou Ailing, Zhang Jisen. (2018). Forschungsfortschritte zum Genom des Zuckerrohrs. Biotechnology, 28(3): 296.

7. Internationales Konsortium zur Sequenzierung des menschlichen Genoms. (2004). Fertigstellung der euchromatischen Sequenz des menschlichen Genoms. Nature, Band 431, 931–945.

8. Jisen Zhang, Qing Zhang, Leiting Li, Haibao Tang, et al. (2018) Jüngste Polyploidisierungsereignisse bei drei Saccharum-Gründerarten. Plant Biotechnol J, 17(1), 264-274