Kleine Getreidesorten nutzen große Industrien: Neue Forschung kann vollmechanisierte Hybridreiszucht ermöglichen

Die breite Öffentlichkeit kennt Hybridreis, aber nur wenige wissen, dass die Produktion von Hybridreis-Saatgut immer noch stark von Handarbeit abhängt und die Reissaatgutproduktion immer noch eine arbeitsintensive Branche ist. Die neuen Errungenschaften chinesischer Wissenschaftler könnten diese Situation völlig ändern und den Weg für die maschinelle Saatgutproduktion ebnen.

Geschrieben von Huang Ke und Li Yunhai

Am 3. Juni veröffentlichte das Magazin Nature Plants online einen Artikel eines chinesischen Forschungsteams mit dem Titel „Modulation der Histonacetylierung ermöglicht vollständig mechanisierte Hybridreiszüchtung“. Einige Kommentatoren meinen, dass „diese Errungenschaft die Spielregeln in der Hybridreis-Saatgutproduktionsbranche völlig verändern wird.“

Als Co-Erstautor und korrespondierender Autor dieses Artikels bin ich sehr gerne bereit, Ihnen den Hintergrund, den Prozess und die Bedeutung dieser Errungenschaft mitzuteilen.

Hybridzucht ist noch immer eine arbeitsintensive Branche

Unter Hybridenvigor (Heterosis, Hybridenvigor) versteht man das Phänomen, dass ein Hybride in einem oder mehreren Merkmalen beiden Eltern überlegen ist. Beispielsweise weisen die durch Kreuzung verschiedener Linien, Sorten oder sogar Arten gewonnenen Hybride häufig stärkere Wachstumsraten und Stoffwechselfunktionen auf als ihre Eltern, was zu einem höheren Ertrag oder einer höheren Biomasse oder einer verbesserten Anpassungsfähigkeit und Resistenz gegenüber biotischen und abiotischen Belastungen führt. Dies ist ein weit verbreitetes Phänomen in der biologischen Welt.

Abbildung: Hybridvitalität bei Mais und Reis

Die Nutzung der Hybridkraft hängt von der großflächigen Produktion von Hybridsaatgut ab und Reis ist eine einhäusige, selbstbestäubende Nutzpflanze. Im Jahr 1966 veröffentlichte Yuan Longping eine Abhandlung mit dem Titel „Männlich sterile Reislinien“, in der er offiziell die Verwendung der Methode der „Drei-Linien-Anpassung“ vorschlug, um die Hybridvorteile von Reis auszunutzen und Hybridreissamen durch den Anbau der „drei Linien“ von Reis, nämlich der männlich sterilen Linie, der Erhaltungslinie und der Wiederherstellungslinie, in Massen zu produzieren. Die Hauptidee des Entwurfs besteht darin, Pflanzen mit männlicher Sterilität aufgrund einer Mutation eines zytoplasmatischen Gens als weibliche Eltern (männlich sterile Linie) und fruchtbare Pflanzen mit Kerngenen, die genau mit denen der männlich sterilen Linie übereinstimmen, aber andere zytoplasmatische Gene aufweisen (Erhaltungslinie), als männliche Eltern zu verwenden, um die Reproduktion von Samen der männlich sterilen Linie zu erreichen. Verwenden Sie dann fruchtbare Pflanzen, die die Pollenfruchtbarkeit von F1-Pflanzen wiederherstellen können, als männliche Eltern (Restorer-Linie), um sie mit der männlich sterilen Linie zu kreuzen und so Hybridsamen mit Hybridkraft zu erzeugen.

Im Jahr 1973 gelang es durch die Zusammenarbeit zahlreicher Reiszüchter unter dem Namen Yuan Longping, Chinas „Dreilinien“-Indica-Hybridreis zu züchten und 1976 auf den Markt zu bringen. Im Jahr 1981 schlug Shi Mingsong das Konzept der „sterilen Linie mit doppeltem Verwendungszweck“ vor. Das heißt, sie weist unter bestimmten Licht- und Temperaturbedingungen vollständige männliche Sterilität auf und kann als Mutterpflanze zur Kreuzung mit der Wiederherstellungslinie verwendet werden, um Hybridsamen zu erzeugen, während sie unter anderen Licht- und Temperaturbedingungen fruchtbar ist und sich selbst vermehren kann. Die „Zweilinienmethode“ eliminiert die Erhaltungslinie der „Dreilinienmethode“, vereinfacht den Hybridreiszuchtprozess und die Saatgutproduktionsverfahren und bietet offensichtliche Vorteile bei der Hybridreiszucht. Im Jahr 1995 begann man in China mit der breiten Förderung und Anwendung zweizeiliger Hybridreissorten. Durch die Förderung von Hybridreis konnte Chinas Reisertrag pro Flächeneinheit um 20 bis 30 % gesteigert werden, was die Ernährungssicherheit erheblich steigert.

Abbildung: Prinzipien der „Drei-System-Methode“ und der „Zwei-System-Methode“

Hybridreis wird in China seit fast 50 Jahren in großem Umfang verwendet und die Hybridreissorten wurden ständig verbessert, um höhere Erträge und eine bessere Qualität zu erzielen. Unabhängig davon, ob es sich um die „Dreilinienmethode“ oder die „Zweilinienmethode“ handelt, hängt der großflächige Anbau von Hybridreis von der großflächigen Produktion von Hybridsaatgut ab. Der Produktionsprozess von Hybridsaatgut (Saatgutproduktion) ist jedoch äußerst umständlich, zeitaufwändig und arbeitsintensiv und stellt eine arbeitsintensive Branche dar.

Der traditionelle Prozess der Hybridreis-Saatgutproduktion umfasst hauptsächlich: die gestaffelte Aussaat männlicher Eltern (Restorer-Linien) und weiblicher Eltern (sterile Linien), normalerweise 1–2 Reihen männlicher Eltern entsprechend 6–10 Reihen weiblicher Eltern, um ausreichend Pollen bereitzustellen; künstliche Bestäubung während der Blütezeit der männlichen und weiblichen Eltern, um die Fruchtansatzrate der weiblichen Eltern zu erhöhen; rechtzeitige manuelle Entfernung des männlichen Elternteils auf dem Feld, nachdem die Bestäubung des weiblichen Elternteils abgeschlossen ist, um zu verhindern, dass die Samen der Wiederherstellungslinie die Hybridsamen verunreinigen; und Ernten der Hybridsamen, nachdem die weiblichen Eltern ausgewachsen sind.

Daher ist der traditionelle Produktionsprozess von Hybridreis-Saatgut intensiv und in hohem Maße von Handarbeit abhängig. Fast 50 Jahre lang folgte die Hybridsaatgutproduktion diesem Muster, allerdings mit wenigen größeren Durchbrüchen. Da jedoch die Arbeitskosten weiter steigen, sind auch die Kosten für die Produktion von Hybridreis-Saatgut weiter gestiegen, was wiederum die Saatgutkosten der Landwirte erhöht und den wirtschaftlichen Nutzen des Hybridreisanbaus verringert hat. Gleichzeitig gibt es aufgrund der wirtschaftlichen Entwicklung und der Überalterung der Bevölkerung immer weniger Industriearbeiter im geeigneten Alter, die in der Reissaatgutproduktion tätig sein können. Daher ist es dringend erforderlich, ein für Hybridreis geeignetes mechanisiertes Saatgutproduktionsverfahren zu entwickeln, um eine industrielle Aufwertung der Hybridreis-Saatgutproduktion zu erreichen.

Abbildung: Traditionelles Saatgutproduktionsmodell

Auf der Suche nach der idealen genregulierenden Korngröße

In den letzten Jahrzehnten haben Reiszüchter mehrere Strategien für die maschinelle Saatgutproduktion vorgeschlagen, darunter: (1) Ausnutzung der Unterschiede in der Schalenfarbe zwischen männlich sterilen Linien und Restorer-Linien, um Hybridsaatgut von Mischsaatgut mithilfe spezieller fotoelektrischer Farbsortiergeräte zu trennen; (2) Einbringen herbizidempfindlicher Gene in Restorer-Linien oder Einbringen herbizidresistenter Gene in männlich sterile Linien und Entfernen der Restorer-Linien vom Feld durch Versprühen von Herbiziden nach der Bestäubung; (3) Verwendung von weiblichen sterilen Restorer-Linien zur Bestäubung männlicher steriler Linien zur Erzeugung von Hybridsaatgut. Weibliche sterile Restorer-Linien bestäuben sich nicht selbst. Daher besteht keine Notwendigkeit, die Samen der Restorer-Linie zu entfernen.

Diese Methoden weisen alle gewisse technische Mängel auf oder der Züchtungszyklus verwandter Sorten ist aufgrund des Mangels an hochwertigen genetischen Ressourcen zu lang, sodass sie bisher nicht in großem Maßstab angewendet wurden.

Darüber hinaus ist die gemischte Anpflanzung steriler Linien und Wiederherstellungslinien, die Ausnutzung der Unterschiede in der Samengröße zwischen sterilen Linien und Wiederherstellungslinien und die mechanische Sortierung von Hybridsamen und Wiederherstellungssamen durch Siebe eine sehr vielversprechende und einfache Methode. Was bereits getan wird, ist die Entwicklung kleinkörniger steriler Linien durch traditionelle Züchtungsmethoden und deren Kombination mit großkörnigen Restorer-Linien für die mechanische Sortierung von Reishybridsamen. Allerdings wurde diese Methode bisher nur wenige Male erprobt und noch nicht im großen Maßstab in der Hybridreis-Saatgutproduktion angewendet. Darüber hinaus erschweren traditionelle Züchtungsmethoden die schnelle Verbesserung vorhandener Sorten, um sie an die maschinelle Hybridreis-Saatgutproduktion anzupassen.

Die Schwierigkeit und der Schlüssel zur Verwendung von Korngrößenregulatoren für die mechanisierte Hybridsaatgutproduktion besteht darin, die idealen Korngrößenregulatoren zu finden und ideale sterile Linien mit kleinen Körnern zu züchten. Durch die Funktionsverlustmutation des Gens für die ideale Korngröße sollte die Korngröße (vor allem die Korndicke) deutlich reduziert werden; die rezessive Mutation dieses Gens führt zu kleinen Körnern und beeinflusst die Korngröße durch die Mutterpflanze; Wichtige agronomische Merkmale wie Pflanzenhöhe, Kolbenform und Blütezeit werden dadurch nicht beeinflusst. Gleichzeitig sollte die kleinkörnige sterile Linie keinen negativen Einfluss auf die Anzahl der F1-Hybriden und den Ertrag des Hybridreises haben. Bisher wurde zwar festgestellt, dass der Funktionsverlust vieler Gene zu kleineren Reiskörnern führt, sich aber auch negativ auf andere agronomische Merkmale auswirkt. Daher ist es dringend erforderlich, ideale Gene zur Regulierung der Korngröße zu finden und sterile Linien mit kleinen Körnern zu züchten, die für die maschinelle Saatgutproduktion geeignet sind.

Abbildung: Schematische Darstellung der mechanisierten Saatgutproduktion unter Ausnutzung der Unterschiede in der Saatgutgröße zwischen sterilen Linien und Restorer-Linien

Realisierung einer industriellen Modernisierung der Hybridreis-Saatgutproduktion

Um ideale Gene zur Regulierung der Korngröße zu finden und so schnell neue Hybridreissorten zu züchten/verbessern, die für die maschinelle Saatgutproduktion geeignet sind, haben wir mit den Teams von Zhu Xudong und Wang Yuexing von der Chinesischen Akademie für Reisforschung, dem Team von Wang Dekai von der Zhejiang Sci-Tech University und dem Team von Luo Yuehua von der Hainan University zusammengearbeitet, um mit zwei Strategien ideale sterile Linien/Erhaltungslinien für kleine Körner zu züchten und ideale Gene für kleine Körner zu entdecken. Eine Möglichkeit besteht darin, kleinkörnige Reissorten als Spendereltern zu verwenden, ideale sterile Kleinkornlinien/Erhaltungslinien durch traditionelle Züchtungsmethoden auszuwählen und potenzielle ideale Kleinkorngene weiter zu klonen. Die andere besteht darin, durch genetisches Mutagenese-Screening ideale Kleinkornmutanten zu finden, ideale Kleinkorngene zu klonen und dann durch molekulare Designzüchtung ideale sterile Kleinkornlinien zu kultivieren. Beide Methoden gleichen der Suche nach der Nadel im Heuhaufen und sind äußerst schwierig.

Wir haben zunächst die Eltern von Tianyou Huazhan durch traditionelle Züchtungsmethoden verbessert und ideale sterile/erhaltende Linien kultiviert, um den Anforderungen der mechanisierten Saatgutproduktion gerecht zu werden. Tianyou Huazhan ist eine dreizeilige, ertragreiche und hochwertige Hybrid-Indica-Reissorte. Es wurde auf über 30 Millionen Mu Land gefördert und angepflanzt. Seine Sterillinie, Wartungslinie und Wiederherstellungslinie sind Tianfeng A, Tianfeng B und Huazhan. Wir haben eine Reihe kleinkörniger Materialien als Spendereltern für die Hybridisierung mit Tianfeng B (der Erhaltungslinie des dreizeiligen Hybridreises Tianyou Huazhan) ausgewählt. Schließlich gelang die Kreuzung der Kleinkornreissorte XLG mit Tianfeng B und die Anzucht der idealen Kleinkorn-Erhaltungslinie Xiaoqiao B (XQB) sowie der entsprechenden idealen Kleinkorn-Sterillinie Xiaoqiao A (XQA). Auch die Anzahl der Körner pro Rispe und die Anzahl der Halme der Pflanzen Xiaoqiao A und Xiaoqiao B nahmen deutlich zu.

Gleichzeitig haben wir die Großkornreissorte Kuangsijiadi mit Huazhan gekreuzt, um eine neue Großkorn-Restaurierungslinie zu züchten: Großkorn-Huazhan (DHZ). Feldversuche haben gezeigt, dass Xiaoqiao A und die großkörnige Restorer-Linie eine maschinelle Saatgutproduktion von Hybridreis ermöglichen. Aufgrund der Zunahme der Anzahl der Körner pro Rispe und der Anzahl der Halme von Xiaoqiao A erhöhte sich die Anzahl der Hybridsamen pro Saatgutproduktionsfläche um etwa 20 %. Feldversuche zeigten, dass sich der Ertrag des Hybridreises aus der Kombination von Xiaoqiao A und Dali Huazhan nicht signifikant von dem der Kontrollgruppe unterschied.

Um das ideale Kleinkorngen in Xiaoqiao A und Xiaoqiao B zu finden, kreuzten wir Xiaoqiao B mit ZH11 (einer Japonica-Reissorte mit vollständigen Genominformationen und hoher genetischer Transformationseffizienz), lokalisierten einen wichtigen Effektlocus GSE3, der die Korngröße auf Chromosom 3 beeinflusst, und identifizierten schließlich das GSE3-Gen durch QTL-Mapping und MutMap-Methoden. GSE3 kodiert eine GCN5-verwandte N-Acetyltransferase, die den Histonacetylierungsgrad beeinflusst. Bei den Sorten Xiaoqiao A, Xiaoqiao B und XLG liegt eine 10 bp lange Sequenzdeletion im dritten Exon des GSE3-Gens vor, was zum Verlust der GSE3-Proteinfunktion führt.

Gleichzeitig führen wir seit mehr als einem Jahrzehnt groß angelegte Mutagenese-Screenings durch, um ideale Small-Grain-Mutanten zu finden und so ideale Small-Grain-Sterillinien/Erhaltungslinien zu züchten. Wir untersuchten Hunderte von Mutanten mit kleineren Körnern, doch die meisten von ihnen wiesen Mängel bei einigen wichtigen agronomischen Merkmalen auf, wie etwa kürzere Pflanzen, kleinere Kolben, eine geringere Anzahl von Halmen und Körnern pro Kolben sowie kleinere Blätter. Glücklicherweise konnten wir eine Mutante m238 mit deutlich kleineren Körnern, aber einer erhöhten Kornzahl pro Ähre und Bestockungszahl identifizieren. Allelismustests zeigten, dass m238 ein neues Allel von GSE3 war. Der Funktionsverlust von GSE3 führte zu deutlich kleineren Körnern, einer deutlich erhöhten Bestockung und Kornzahl pro Kolben, während bei anderen agronomischen Merkmalen keine signifikanten Unterschiede auftraten. Biochemische und genetische Experimente zeigten, dass GSE3 durch den Transkriptionsfaktor GS2 zum Promotor von koregulierten Korngrößengenen rekrutiert werden konnte, wobei die Korngröße durch Beeinflussung des Histonacetylierungszustands in der Promotorregion reguliert wurde.

Der Verlust der GSE3-Funktion führt zu einer Zunahme der Kornzahl pro Kolben und der Anzahl der Halme in der Pflanze. Dies ist der Schlüssel zur Fähigkeit der GSE3-Mutation, die Anzahl der Hybridsamen zu erhöhen. Allerdings scheint GSE3 die Anzahl der Körner pro Rispe und die Anzahl der Halme durch GS2 nicht zu regulieren. Der molekulare Mechanismus, wie GSE3 die Anzahl der Körner pro Rispe und die Anzahl der Halme reguliert, muss noch weiter erforscht werden. Dies wird uns zu einem tieferen Verständnis der koordinierten Regulierung von Korngröße, Anzahl der Körner pro Rispe und Anzahl der Halme beim Reis verhelfen und uns so neue Lösungen für die Störung dieses Gleichgewichts und die Erzielung hoher Reiserträge bieten.

Durch die Genbearbeitung des GSE3-Gens der sterilen Linie Tianfeng A (TFA) und der Erhaltungslinie Tianfeng B (TFB) von Tianyou Huazhan haben wir die entsprechenden idealen sterilen Kleinkornlinien TFAgse3-cri3 und TFBgse3-cri3 erstellt. Feldversuche haben gezeigt, dass die Kombination von TFAgse3-cri3 und der Großkorn-Restorer-Linie (Da Li Huazhan, DHZ) auch eine maschinelle Saatgutproduktion von Hybridreis ermöglicht und die Anzahl der Hybridsamen pro Flächeneinheit um 21,2 % erhöht, ohne den Ertrag des Hybridreises zu beeinträchtigen. Superhybridreis Y Liangyou 900 (YLY900) ist eine zweizeilige Indica-Hybridreissorte mit einem Ertrag von über 15 Tonnen pro Hektar. Die sterile Linie und die Restorer-Linie sind Y58S bzw. R900. Wir haben die ideale sterile Kleinkornlinie Y58Sgse3-cri4 durch Genbearbeitung der sterilen Linie Y58S von Yliangyou 900 geschaffen. Ohne Verbesserung der Wiederherstellungslinie R900 kann durch die Kombination von Y58Sgse3-cri4 und der Wiederherstellungslinie R900 auch eine mechanisierte Saatgutproduktion von Hybridreis erreicht werden. Die Anzahl der Hybridsamen pro Saatgutproduktionsfläche stieg um 38,3 %, was die Effizienz der Saatgutproduktion erheblich verbesserte und gleichzeitig eine mechanisierte Saatgutproduktion ermöglichte, ohne den Ertrag an Hybridreis zu beeinträchtigen.

Als nächstes werden wir 30–50 Hybridreiskombinationen auswählen, die derzeit in der Produktion weit verbreitet sind, für tatsächliche landwirtschaftliche Produktionstests und sie mithilfe der Gen-Editierungstechnologie schnell verbessern. Wenn der Unterschied in der Korndicke zwischen der Restorer-Linie und der männlich sterilen Linie relativ groß ist, kann durch die Genbearbeitung des GSE3-Gens in der männlich sterilen Linie eine maschinelle Saatgutproduktion von Hybridreis erreicht werden. Wenn der Unterschied in der Korndicke zwischen der Restorer-Linie und der männlich sterilen Linie relativ gering ist, können wir eine maschinelle Saatgutproduktion von Hybridreis erreichen, indem wir das GSE3-Gen in der männlich sterilen Linie und das GS2-Gen oder andere Großkorngene in der Restorer-Linie bearbeiten.

Unseren aktuellen Tests zufolge kann durch die Anwendung des GSE3-Gens nicht nur eine mechanisierte Saatgutproduktion erreicht werden, sondern auch die Anzahl der pro Flächeneinheit produzierten Samen um 20–38 % gesteigert werden. Das bedeutet, dass bei umfassender Förderung und Anwendung jedes Jahr Hunderttausende Hektar Saatgutproduktionsfläche eingespart werden können. Da die Korngröße und das Gewicht von Hybridsamen reduziert werden, kann die aktuelle Marktnachfrage durch Hybridsamen mit geringerem Volumen und Gewicht gedeckt werden. Die Transport- und Lagerkosten für Hybridsamen werden entsprechend gesenkt, was höhere wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt, die industrielle Aufwertung der Hybridreissamenproduktion ermöglicht und die weltweite Förderung von Hybridreis fördert.

Abbildung: Die Gen-Editierung GSE3 verbessert Hybridreis schnell, um eine mechanisierte Hybridreis-Saatgutproduktion zu erreichen

a, Das Modul GSE3-GS2 regelt die Korngröße. GSE3 reguliert die Korngröße positiv. GSE3 kann durch den Transkriptionsfaktor GS2 zum Promotor des co-regulierten Korngrößengens rekrutiert werden und reguliert die Korngröße, indem es den Histonacetylierungszustand in der Promotorregion beeinflusst. B. Das GSE3-Gen in der geneditierten sterilen Linie oder das GS2-Gen oder andere Großkorngene in der geneditierten Restorer-Linie können die mechanisierte Saatgutproduktion von Hybridreis schnell realisieren.

Der Autor dieses Artikels, Huang Ke, ist derzeit Postdoktorand am Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Li Yunhai ist Forscher am Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

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