Neue Forschung! Chinesische Wissenschaftler entdecken „Steuerschalter“ für den Lebenszyklus von Pflanzen

Die Familie der Kreuzblütler ist eine der wohlhabendsten Pflanzenfamilien und viele Nutzpflanzen, die wir im täglichen Leben sehen, stammen aus dieser Familie, wie beispielsweise Raps, Kohl, Brokkoli usw.

Am 28. Mai 2024 veröffentlichte die internationale Fachzeitschrift Cell online eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Reziproke Umwandlung zwischen einjährigem und polykarpischem mehrjährigem Blühverhalten bei den Brassicaceae“ von Wang Jiaweis Forschungsteam vom Center for Excellence in Molecular Plant Sciences der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Den Forschern ist es gelungen, drei Schlüsselgene in der Familie der Kreuzblütler zu identifizieren, die die mehrjährige Natur der Pflanzen bestimmen. Durch das Ausschalten dieser drei Gene in mehrjährigen Pflanzen oder das Übertragen dieser drei mehrjährigen Gene auf einjährige Pflanzen kann die Familie der Kreuzblütler eine gegenseitige Umstellung zwischen mehrjährigen und einjährigen Lebensgewohnheiten erreichen.

Um die Wuchsform von Kreuzblütlern von einjähriger auf mehrjährige Wuchsform umzustellen, sind lediglich drei Genänderungen erforderlich. Bildquelle: Referenz [1]

Was sind mehrjährige Pflanzen?

Basierend auf der Zeit, die zum Abschließen eines Lebenszyklus benötigt wird, können Pflanzen einfach in einjährige, zweijährige und mehrjährige Pflanzen unterteilt werden. Nach der Blüte verbrauchen einjährige Pflanzen viel Energie für die Samenproduktion, bis die gesamte Pflanze verwelkt und abstirbt.

Die meisten mehrjährigen Pflanzen verbrauchen nach der Blüte nur mäßig Energie, behalten dadurch etwas Energie und neue Triebe und treten dann in eine vegetative Wachstumsphase ein (d. h. sie bilden neue Blätter und entwickeln sich prächtig), und zwar Jahr für Jahr, wodurch sie im Zyklus aus Blüte und vegetativem Wachstum eine lange Lebensdauer erreichen.

Vom kleinen Gras, das „jedes Jahr verwelkt und neu wächst“, bis zum großen Baum mit üppigen Zweigen und Blättern: Die Tatsache, dass Pflanzen vielfältige Lebensgewohnheiten haben, ist jedem bekannt. Doch welcher „Schalter“ die Lebensdauer einer Pflanze wirklich bestimmt, ist nicht ganz klar.

Aus anwendungstechnischer Sicht sind mehrjährige Pflanzen eine wirksame Ergänzung zu herkömmlichen einjährigen Pflanzen. Sie zeichnen sich durch die Eigenschaft „eine Aussaat, mehrere Ernten“ aus und vermeiden so eine wiederholte Bodenbearbeitung, was nicht nur Arbeitskräfte und Maschinenkosten spart, sondern auch die Bodenstruktur schützt.

Darüber hinaus kann das gut entwickelte Wurzelsystem mehrjähriger Nutzpflanzen eine hohe Wasser- und Düngemittelausnutzung gewährleisten, den Bodenverlust verringern und Kohlenstoff in der Atmosphäre in der Bodenschicht binden. Es handelt sich um eine wichtige strategische Reserve für China, um eine nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung zu fördern und auf den zukünftigen Klimawandel zu reagieren.

Wo haben wir das Perennial-Gen gefunden?

Wie findet man die Gene, die die Mehrjährigkeit von Pflanzen bestimmen? Es gibt eine logisch einfache Forschungsstrategie. Suchen Sie zunächst ein Paar einjähriger und mehrjähriger Pflanzen, die gekreuzt werden können. Aus dem gesunden Menschenverstand der Genetiker lässt sich schließen, dass ihre Nachkommen sowohl einjährige als auch mehrjährige Pflanzen hervorbringen werden. Durch die Durchführung einer Genotyp- und Phänotyp-Korrelationsanalyse an den Nachkommen können die Gene gefunden werden, die die Mehrjährigkeit von Pflanzen bestimmen.

Die oben beschriebene Forschungsstrategie klingt sehr einfach, wurde jedoch weltweit nur von wenigen anderen Laboren ausprobiert. Der Grund hierfür sind in erster Linie technologische Einschränkungen. Im letzten Jahrzehnt haben sich die Technologien zur Genomsequenzierung und zur Genomeditierung rasant weiterentwickelt, sodass immer mehr Pflanzen für die molekulargenetische Forschung genutzt werden können, was vorher nur schwer möglich war.

Der wichtigere Grund besteht darin, dass die eigentliche Operation schwierig ist und einen hohen Arbeitsaufwand erfordert. Einjährige und mehrjährige Pflanzen werden oft als unterschiedliche Arten klassifiziert und weisen eine reproduktive Isolation auf. Die Wahrscheinlichkeit einer Fernhybridisierung zwischen Arten, die normale, fruchtbare Nachkommen hervorbringt, ist äußerst gering. Der einzige Weg zum Erfolg besteht darin, mehrere Versuche zu unternehmen.

Zu diesem Zweck begann das Team von Professor Wang Jiawei bereits vor zehn Jahren mit der Sammlung von Kreuzblütlermaterial und umfasste Hunderte von Pflanzenmaterialien, darunter Brassica, Saccharina, Cardamine und Araucaria.

Das Team untersuchte zunächst die Lebensgewohnheiten (einjährig oder mehrjährig) der gesammelten Pflanzen, bewertete dann die Genomgröße, kombinierte morphologische Merkmale und molekulare Marker, um genetische Beziehungen zu ermitteln, und führte eine vorläufige Prüfung der möglicherweise erfolgreichen „einjährig-mehrjährigen“ Pflanzenkombinationen durch.

Es folgte eine lange Reihe von Versuchen, und schließlich wurden zwei Paare von Hybridkombinationen erhalten, die Nachkommen hervorbringen konnten, nämlich Crucihimalaya himalaica und Crucihimalaya wallichii der Gattung Crucihimalaya; und Erysimum nevadense und Erysimum cheiranthoides der Gattung Erysimum.

Mehrjährige Pflanzen haben einen langen Lebenszyklus und die Versuchsergebnisse von heute gepflanzten Setzlingen liegen oft erst im nächsten Jahr vor. Während dieser Zeit können die Pflanzen durch Faktoren wie Dürre und Schädlinge gestresst sein, was die Versuchsdaten beeinträchtigen kann. Daher müssen sie kontinuierlich und sorgfältig gepflegt werden. Aus strenger Sicht möchten die Forscher vermeiden, dass die Pflanzen durch Faktoren wie Dürre und Schädlinge gestresst werden, da dies die experimentellen Daten beeinträchtigen könnte. Dies bedeutet auch, dass Forscher auf die Möglichkeit eines längeren Urlaubs verzichten müssen, da das Pflanzenwachstum auch durch den Urlaub der Menschen nicht eingestellt wird.

Mehrjährige Pflanzen, insbesondere Himalaya-Senf, sind auf dem Qinghai-Tibet-Plateau heimisch und müssen bis zu fünf Monate lang einer Kältebehandlung (Simulation von Winterbedingungen) unterzogen werden, bevor sie blühen können. In einem Kühlhaus mit niedrigen Temperaturen, das den Winter künstlich simuliert, neigen alternde Blätter zu Schimmel und Fäulnis und müssen regelmäßig gereinigt werden.

Um zu verhindern, dass die Pflanzen durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden, werden diese Vorgänge häufig in einem Kühlhaus durchgeführt. Im Sommer ziehen wissenschaftliche Forscher in kurzärmeligen Hemden und Shorts vor der Tür Daunenjacken an und betreten das Kühlhaus, um zu arbeiten.

Lassen Sie uns kurz den Zeitplan des Projekts durchgehen. Das Projekt begann im Jahr 2014, das erste Paar einjähriger/mehrjähriger Hybridkombinationen wurde 2017 erhalten, das zweite Paar Hybridkombinationen wurde 2018 erhalten und alle für das Experiment benötigten Mutantenmaterialien wurden 2022 beschafft. Die meisten Daten in der veröffentlichten Arbeit wurden tatsächlich in den letzten drei Jahren gewonnen. Die Eckpfeiler des Papiers sind jedoch die oben genannten Bemühungen, die sich nicht im Papier widerspiegeln.

Fazit der Arbeit

Durch genetische Positionierung fanden die Forscher drei Schlüsselgene, die die Lebensgewohnheiten von Pflanzen sowohl der Gattungen Brassica als auch Sacchariflora bestimmen, nämlich FLC, FLM und MAF. Die drei gehören zu einer Klasse eng verwandter Blühhemmungsgene.

Mithilfe von Gen-Editing-Technologien schalteten die Forscher die FLC-, FLM- und MAF-Gene der mehrjährigen Himalaya-Senfpflanze nacheinander aus und stellten fest, dass der Verlust dieser Gene nach und nach dazu führte, dass sich die Pflanze von mehrjährig zu zweijährig und dann weiter zu einjährig veränderte.

Durch die Kombination von Transkriptom- und Epigenomdaten fassten die Forscher die wichtigsten molekularen Mechanismen zusammen, die die mehrjährige Blühstrategie von Pflanzen bestimmen. Die FLC-, FLM- und MAF-Gene mehrjähriger Pflanzen verhindern die Blüte vor dem Wintereinbruch. Die niedrigen Temperaturen im Winter bringen die Expression dieser Gene zum Schweigen, sodass die Pflanzen im Frühling blühen können. Wenn dann die Temperatur steigt, werden Gene wie FLC reaktiviert, was dazu führt, dass die Pflanzen ihre Blütezeit beenden und in einen vegetativen Wachstumszustand zurückkehren, sodass die Blüten jedes Jahr ähnlich aussehen.

Anschließend übertrugen die Forscher die mehrjährigen FLC-, FLM- und MAF-Gene in einjährige (einschließlich winterannuelle) Saccharum officinale, Arabidopsis thaliana und Raps und wandelten die oben genannten Pflanzen erfolgreich in mehrjährige Wuchsformen um.

Zukunftsaussichten

Idealerweise muss eine perfekte wissenschaftliche Forschungsarbeit zwei Hauptelemente beinhalten: interessante wissenschaftliche Geschichten und einen praktischen Anwendungswert.

Zusammenfassend ist es noch ein weiter Weg, bis wir auf der Grundlage der vorhandenen theoretischen Grundlagen anwendbare mehrjährige Kreuzblütlerpflanzen entwickeln können. Kann Raps, der unter Gewächshausbedingungen mehrjährig wachsen kann, in der komplexeren und veränderlicheren Umgebung des Feldes mehrjährig wachsen? Wenn mehrjährige Pflanzen blühen und Früchte tragen, geben sie einen Teil ihrer Energie an die Samen ab und einen Teil verwenden sie für ihr eigenes Überleben. Bedeutet dies, dass der Ertrag mehrjähriger Nutzpflanzen geringer ausfallen wird als der herkömmlicher Nutzpflanzen? Ist es möglich, durch gezieltes Moleküldesign eine perfekte Balance zwischen Ernteertrag und Erhalt der Mehrjährigkeit zu erreichen? Diese wissenschaftlichen Probleme, die das Potenzial haben, in der tatsächlichen Produktion angewendet zu werden, werden im Mittelpunkt der zukünftigen Arbeit stehen.

Verweise

[1] Zhai D, Zhang LY, Li LZ, et al. (2024). „Reziproke Umwandlung zwischen anjährigem und polykarpischem mehrjährigem Blühverhalten bei den Brassicaceae.“ Zelle

Planung und Produktion

Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor: Wang Jiawei und Zhai Dong (Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produzent｜China Science Expo

Herausgeber: Yang Yaping

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin