Wie kam es zu einer größeren Verbreitung der Nicht-Sojabohne „Mo“? Wissenschaftler finden Schlüsselgen zur Steigerung des Sojaertrags mit Molybdändünger!

Am 22. November 2023 veröffentlichte die maßgebliche internationale botanische Fachzeitschrift „Contemporary Biology“ online eine Forschungsarbeit, die gemeinsam von der Forschungsgruppe von Chao Daiyin vom Center for Excellence in Molecular Plant Sciences der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Forschungsgruppe von Tian Zhixi vom Institute of Genetics and Developmental Biology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erstellt wurde. Durch eine Assoziationsanalyse des gesamten Genoms gelang es dieser Studie, zwei Schlüsselgene, GmMOT1.1 und GmMOT1.2, zu klonen, die die natürliche Variation des Molybdängehalts in Sojabohnensamen regulieren. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass diese beiden Gene den Sojaertrag steigerten, indem sie die molybdänabhängige Auxinsynthese in Sojablättern förderten und so die photosynthetische Blattfläche vergrößerten. Darüber hinaus ergab die Studie auch, dass diese beiden Gene über fünf Haplotypen verfügen und die geografische Verteilung dieser Haplotypen eng mit dem pH-Wert des Bodens zusammenhängt, was als molekulare Orientierungspunkte für die maßgeschneiderte Züchtung von Sojabohnen dienen kann, die sich an unterschiedliche Bodentypen anpassen.

Molybdän (Mo) ist ein unverzichtbares Spurenelement für das Pflanzenwachstum und spielt eine wichtige Rolle in den Wachstumsprozessen zahlreicher Organismen. Für Leguminosenpflanzen ist eine Molybdändüngung besonders wichtig. In der landwirtschaftlichen Produktion ist es oft notwendig, das Produktionspotenzial von Leguminosen durch die Anwendung von Molybdän-Blattdünger zu erhöhen. Es wird allgemein angenommen, dass der extrem hohe Bedarf von Hülsenfrüchten an Molybdändünger mit dem hohen Bedarf an Molybdän im biologischen Stickstofffixierungsprozess von Hülsenfrüchten zusammenhängt. Diese Theorie steht jedoch im Widerspruch zu der Notwendigkeit, in der Produktion Molybdändünger auf die Blätter zu verteilen, da die Stickstofffixierung in den Knöllchen in den Wurzeln stattfindet, es jedoch keine Berichte über den Transport mineralischer Nährstoffe von den Blättern zu den Wurzeln der Pflanzen gibt. Daher könnten der ertragssteigernden Wirkung von Mo-Blattdünger unbekannte Mechanismen zugrunde liegen.

Sojabohnen sind eine der wichtigsten Nutzpflanzen für den Menschen und die Hauptquelle für Protein und Öl. Seine Ergebnisse stehen im Zusammenhang mit der Ernährungssicherheit und der nationalen Sicherheit. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, ob es bei den Sojabohnensorten natürliche Unterschiede in der Fähigkeit zur Aufnahme und Nutzung von Molybdän gibt, wie sich diese Unterschiede auf die Sojabohnenproduktion auswirken und wie man diese Unterschiede ausnutzen kann.

Mithilfe der Ionomik und der Assoziationsanalyse des gesamten Genoms klonten die Forscher zwei Gene, GmMOT1.1 und GmMOT1.2, die die natürliche Variation des Molybdängehalts von Sojabohnen regulieren. Weitere Analysen ergaben, dass natürliche Sojabohnensorten fünf Haupthaplotypen enthalten, von denen Haplotyp 5 das höchste Expressionsniveau und die höchste Molybdäntransportkapazität in Sojabohnen hatte, während Haplotyp 4 das niedrigste Expressionsniveau und die niedrigste Molybdäntransportkapazität hatte. Eine Reihe genetischer und molekularer Experimente zeigte, dass GmMOT1.1 und GmMOT1.2 an der Aufnahme von Molybdän durch Sojabohnenwurzeln und am Transport von Molybdän von den oberirdischen Teilen zu den Wurzeln beteiligt sind. Bei einer Reduzierung der Funktionen von GmMOT1.1 und GmMOT1.2 verringerten sich der Molybdängehalt und der Ertrag des Mutanten deutlich, während die Verstärkung von GmMOT1.1 den Molybdängehalt und den Sojabohnenertrag deutlich steigern konnte. Daher regulieren die beiden Gene den Molybdängehalt im oberirdischen Teil der Sojabohne und beeinflussen somit den Sojaertrag.

Interessanterweise hatten GmMOT1.1 und GmMOT1.2 weder Auswirkungen auf die Fähigkeit der Knötchen zur Stickstofffixierung noch auf andere Prozesse der Stickstoffassimilation. Überraschenderweise veränderte sich der Auxingehalt in den Blättern von Mutanten und überexprimierenden Pflanzen von GmMOT1.1 und GmMOT1.2 signifikant, wobei der Auxingehalt in den Blättern von Mutanten deutlich reduziert und der Auxingehalt in den Blättern von überexprimierenden Pflanzen erhöht war. Weitere Studien haben gezeigt, dass es in Sojablättern eine Molybdän-bindende Aldehydoxidase gibt, die die Synthese von Indol-3-Acetaldehyd zum Auxin Indol-3-Essigsäure katalysieren kann, die katalytische Aktivität hängt jedoch vom Molybdängehalt ab. Wenn daher die Funktionen von GmMOT1.1 und GmMOT1.2 stärker werden, steigt der Molybdängehalt in den Blättern, wodurch die Synthese von Auxin und das Blattwachstum gefördert und somit der Sojabohnenertrag gesteigert wird. Dieses Ergebnis erklärt auch, warum der Sojaertrag in der Landwirtschaft durch direktes Aufsprühen von Molybdändünger auf die Blätter verbessert werden kann.

Darüber hinaus ergab die Studie auch, dass die Verteilung verschiedener Haplotypen der beiden Gene in verschiedenen Anbaugebieten in China eng mit dem pH-Wert des Bodens zusammenhängt. Die Haplotypen mit starken Funktionen sind vor allem in sauren und molybdänarmen Bodengebieten verbreitet, während die Haplotypen mit schwachen Funktionen eher in alkalischen und molybdänreichen Bodengebieten verbreitet sind, was darauf hindeutet, dass beide einer künstlichen Selektion unterworfen waren. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass diese beiden Gene zur Entwicklung molekularer Marker für die Züchtung maßgeschneiderter Sojabohnensorten mit hohem Ertrag verwendet werden können, die sich an Böden mit unterschiedlichen pH-Werten anpassen können.

Diese Studie enthüllte den genetischen Mechanismus der natürlichen Variation des Molybdängehalts in Sojabohnensamen, klärte das Prinzip der ertragssteigernden Wirkung von Molybdändüngung in Leguminosenblättern und entdeckte molekulare Marker für eine maßgeschneiderte Sojabohnenzüchtung auf der Grundlage des pH-Werts des Bodens. Damit wurde eine solide wissenschaftliche Grundlage für die weitere Optimierung von Sojaanbau- und -zuchtstrategien und den Anbau ernährungsphysiologisch effizienter Sojabohnensorten geschaffen.