Das „egoistische“ Gen des Maises enthüllt

Hilft, den Pollendrift einzudämmen und bietet eine neue isolierungsfreie Lösung für die Saatgut- und Frischmaisproduktion

Weißer Mais ist eine neue Sorte, die nicht mit einer Einweg-Hybridisierung kompatibel ist und bei der keine Kreuzbestäubung mit dem benachbarten gelben Mais festgestellt wurde. Foto vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt

Mais ist bei vielen Vollkornliebhabern beliebt. Vorsichtige Feinschmecker werden feststellen, dass der Stückpreis für „reinrassigen“ Mais auf dem Markt höher ist.

Im Gegensatz zu Weizen und Reis, die selbstbestäubend sind, ist Mais, eines der drei wichtigsten Grundnahrungsmittel, eine typische fremdbefruchtende Nutzpflanze, obwohl er „einhäusig“ ist. Dies erschwert es dem Mais, auf den Feldern seine „reinrassigen“ Eigenschaften aufgrund der „Kreuzbestäubung“ beizubehalten. Um reinrassigen Mais mit besserem Aussehen und Geschmack zu produzieren, müssen Isolationsmaßnahmen, beispielsweise zeitlich oder räumlich, ergriffen werden, was die Produktion erschwert und die Kosten erhöht.

Das Erstaunliche ist, dass es in der Natur einige „egoistische“ Maissorten gibt, deren Pollen zwar übertragbar sind, aber keinen fremden Pollen annehmen. Diese natürlich vorkommende biologische Isolationsbarriere bietet eine neue Lösung ohne Isolierung für die Produktion von reinrassigem Mais und die Saatgutproduktion.

Wissenschaftler entdeckten diese „unidirektionale Hybridinkompatibilität“ (UCI) zwischen Mais vor mehr als 100 Jahren. Aufgrund der Komplexität des genetischen Mechanismus und der Unterschiede in der Genomstruktur zwischen verschiedenen Maissorten waren die Erforschung des Genklonens und der Mechanismen, die dieses Phänomen kontrollieren, jedoch äußerst langsam und schwierig, und man kann es als „Problem des Jahrhunderts“ bezeichnen.

Nach mehr als zehn Jahren unermüdlicher Bemühungen ist dem Forschungsteam von Chen Huabang vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erneut ein Durchbruch auf dem Gebiet der Einweg-Hybrid-Inkompatibilität bei Mais gelungen. Es hat das Geheimnis der Mais-UCI gelüftet, seinen molekularen Mechanismus systematisch dargelegt und die erste neue Kombination von frischem Mais mit Einweg-Hybrid-Inkompatibilität in meinem Land angebaut. Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 15. April in Nature Communications veröffentlicht.

„Ausgezeichnet“ und „wichtig“ sind die einhelligen Urteile der drei Gutachter.

Das Rätsel des Jahrhunderts lösen

Im Jahr 1902 entdeckte der deutsche Botaniker Correns ein nicht-Mendelsches Vererbungsphänomen – eine extreme Form der uniparentalen Vererbung –, als er die Nachkommen des mutierten Gens su in Zuckermais untersuchte. Wenn dieses genetische Material mit anderem Material gekreuzt wird, zeigen seine Nachkommen das zu Beginn dieses Artikels beschriebene „egoistische“ Phänomen, das darin besteht, nur die eigenen Gene zu verbreiten und fremden Pollen abzulehnen.

„Die Verträglichkeit der Arten bestimmt und gleicht die Vielfalt und Stabilität der Pflanzenpopulationen auf der Erde aus.“ Chen Huabang sagte, dass Inkompatibilität ein wichtiger Mechanismus für verschiedene Arten wie Mais, Reis und Sorghum sei, um ihre eigenen Eigenschaften zu bewahren. Im Zuge der natürlichen Variation und der Domestizierung durch den Menschen gehen jedoch nach und nach Inkompatibilitätsgene zwischen einigen Arten oder ihren Unterarten verloren und es kommt zum Austausch von genetischem Material untereinander, wodurch Pflanzen eine Populationsvielfalt und die für den Menschen wichtigen Merkmale aufweisen.

Da UCI die Richtung der Pollengametenübertragung beeinflusst, nannte man das Gen, das dieses Phänomen steuert, zunächst das Gametophytengen (Ga). Die erste von Collens entdeckte UCI-Stelle wurde Ga1 genannt und ist eine der gründlichsten Stellen unidirektionaler Hybridinkompatibilität.

Lange Zeit glaubte man, dass bei der UCI das Verhalten männlicher Gameten – Pollen – dominiert werde, während die Rolle weiblicher Gameten außer Acht gelassen werde. Erst im Jahr 1965 wurde den Forschern allmählich klar, dass auch weibliche Gameten beteiligt waren.

Trotzdem sind die genetischen Gesetze der UCI noch nicht geklärt.

Durch genetische Analysen großer Populationen konnte das Team um Chen Huabang im Jahr 2018 das Muster der gemeinsamen Wirkung männlicher und weiblicher Determinanten nach dem Ga1-Locus aufdecken. „Tatsächlich gibt es zwei entscheidende Faktoren. Der weibliche Gametophyt bildet einen ‚Schild‘, um fremden männlichen Gametenpollen abzuwehren, aber sein eigener Pollen produziert einen ‚Speer‘, der seinen eigenen ‚Schild‘ durchdringen kann.“ Er sagte metaphorisch, dass sie nun herausgefunden hätten, dass eine andere Genstelle, Ga2, ebenfalls das UCI-Phänomen über diesen Mechanismus steuere.

Tatsächlich handelt es sich bei Ga1 und Ga2 um ‚alte Gene‘. Ihre männlich-weiblichen Determinanten kodieren beide die Pektinmethylesterase (PME). Die Zugabe zu Fruchtprodukten wie Marmelade, Soßen und Fruchtmark kann die Härte erhöhen, Viskosität und Geschmack verbessern und die Zusammensetzung und Struktur der Zellwände beeinflussen.“ Chen Huabang sagte, dass es bisher jedoch nie zu einem Zusammenhang mit einer Unverträglichkeit der Pflanzen gekommen sei.

Die neue Studie entdeckte neue Funktionen des alten Gens und deutete darauf hin, dass PME den Methylierungsgrad von Pektin in der Zellwand des Pollenschlauchs regulieren kann. Der Gehalt an methyliertem Pektin an der Spitze des inkompatiblen Pollenschlauchs ist höher als der des kompatiblen Maises.

Da UCI-Materialien im Allgemeinen von Popcorn und ursprünglichem Teosinte stammen, gibt es erhebliche Unterschiede in der Genomsequenz im Vergleich zu gewöhnlichem Mais, der Paarungsgrad heterozygoter homologer Chromosomen ist gering und es gibt weniger Rekombination zwischen Chromosomen, was die Schwierigkeit der Feinpositionierung und des kartenbasierten Klonens von UCI-Stellen erheblich erhöht. Mehr als ein Jahrhundert nach der Entdeckung des UCI-Phänomens im Mais wurde das Schlüsselgen an der UCI-Stelle nicht geklont.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, konstruierte das Team eine künstliche bakterielle Chromosomendatenbibliothek (BAC) aus UCI-Materialien. Mithilfe einer Genom-Assoziationsanalyse und des De-novo-Spleißens von Genom-Transkriptionsdaten gelang es ihnen als erste, die relevanten männlichen und weiblichen Determinanten zu kartieren und zu klonen und ihre Funktionen durch Genkomplementation und Überexpression von Transgenen zu verifizieren.

„Die Determinanten der Gametophyten-Inkompatibilität bei Mais sind seit fast 100 Jahren ein heiß diskutiertes Thema und ich denke, dies ist ein hervorragendes Ergebnis der UCI zu diesem wichtigen Thema. Ich kenne andere Studien dieser Autoren und bin von der Qualität und dem Niveau ihrer bisherigen Forschung beeindruckt, und diese Arbeit bildet da keine Ausnahme“, kommentierte ein Gutachter.

Neue Kombination aus frischem Mais

Wenn dieser theoretische Mechanismus in die Züchtungspraxis übertragen wird, wird er zweifellos dazu beitragen, das Problem der „Pollenkreuzbefruchtung“ bei der Maisproduktion zu lösen.

Basierend auf der genetischen Analyse und der genauen Positionierung des UCI-Locus entwickelte das Team von Chen Huabang gleichzeitig funktionelle molekulare Marker. Durch Rückkreuzung und molekularmarkergestützte Selektion führten sie den UCI-Locus in die Eltern von JKN2000 ein, der größten Klebreissorte in meinem Land, und züchteten die erste neue Kombination aus „UCI-Frischmais“.

„Seine Auskreuzungsrate beträgt weniger als ein Tausendstel, wodurch die nichtisolierte Samenproduktion und die nichtisolierte Produktion von JKN2000 ermöglicht werden.“ Chen Huabang führte aus, dass die entsprechende Technologie das praktische Problem eines chinesischen Saatgutunternehmens, das diese Sorte ins Ausland exportierte, wirksam gelöst habe. Dieses Problem sei durch „Kreuzbestäubung“ entstanden und habe sich somit auf den Preis ausgewirkt.

Bei herkömmlichem, in unmittelbarer Nähe angebautem Mais kommt es zu einer „Kreuzbestäubung“, die zu unreinen Maiskörnern führt (linkes Bild), während das neue Maismaterial vom UCI-Standort (rechtes Bild) nicht durch die „Bestäubung“ mit fremdem Pollen verunreinigt wird. Foto vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt

Gleichzeitig sagte er, dass das UCI-System des Maises unabhängig von mehreren Loci gesteuert wird, wie etwa den Loci Ga1, Ga2 und Tcb1. Diese Systeme nehmen keinen Fremdpollen auf und sind auch nicht miteinander kompatibel. Um das Risiko zu verringern, dass ein einzelner UCI-Standort von einzelnen Bestäubungsmaterialien „durchdrungen“ wird, haben sie diese miteinander inkompatiblen UCI-Standorte zusammengefasst, um Keimplasma-Ressourcen zu schaffen, die in der Natur nicht vorkommen.

„In der Natur dauert es lange, bis solche Keimplasma-Ressourcen zusammenkommen, oder es wird möglicherweise nie abgeschlossen“, sagte Chen Huabang.

Wie also gelang es ihnen, diese inkompatiblen Gene durch künstliche Eingriffe zusammenzubringen? Chen Huabang führte ein, dass sich der weibliche Gametophyt des Maises an der Basis des Filaments befindet, während der vom Pollen produzierte Pollenschlauch im Filament wächst. Befruchtung und Fruchtbildung können nur erfolgen, wenn der Pollenschlauch erfolgreich in das Filament eindringt und den männlichen Gametophyten zur Vereinigung mit der weiblichen Gametophyten-Eizelle an der Basis des Filaments transportiert. Der Grund für die Unverträglichkeit von Mais liegt darin, dass das Filament den Pollenschlauch daran hindert, sich in Richtung des weiblichen Gametophyten zu bewegen.

Als Reaktion auf diese Eigenschaft entwickelten sie eine Bestäubungsmethode mit „geschnittenen Filamenten“, bei der Pollen direkt an die Basis des Filaments abgegeben wird. Dadurch werden die Reproduktionsbarrieren zwischen verschiedenen UCI-Standorten durchbrochen und das erste neue „Poly-UCI“-Keimplasma kultiviert, wodurch die materielle Grundlage für die nachfolgende Kultivierung verwandter neuer Kombinationen gelegt wird.

Eine weitere Innovation der Forschung sei die Erfindung einer Methode zur Lokalisierung „homogener Gruppen“, heißt es. Basierend auf der Analyse der genetischen Gesetze der UCI entwickelte das Team eine einzigartige Positionierungsstrategie für den männlich bestimmenden Faktor der UCI. Der männlichkeitsbestimmende Faktor kann direkt durch Messung des Genotyps lokalisiert werden, ohne den Pflanzenphänotyp zu identifizieren, wodurch die Positionierungseffizienz der UCI-Site verbessert wird. Nach herkömmlichen Methoden ist zur Beobachtung des Fruchtansatzphänotyps der Traube eine Eins-zu-eins-Bestäubung erforderlich, was die Erweiterung der Positionierungsgruppe einschränkt und eine geringe Positionierungseffizienz aufweist.

Neue Lösung zur „nicht-isolierten“ Saatgutproduktion

Mais ist die Nutzpflanze, die die Hybridkraft weltweit am effektivsten nutzt. Seit den 1930er Jahren hat die Verwendung und Förderung von Hybridsaatgut zu einem qualitativen Sprung in der weltweiten Maisproduktion geführt.

Die Maisanbaugebiete meines Landes sind weit verstreut, die natürlichen Bedingungen der einzelnen Anbaugebiete unterscheiden sich erheblich und das Mikroklima innerhalb der Anbaugebiete ist komplex und wechselhaft, was zu einer großen Vielfalt an Maishybridsorten in meinem Land führt.

„Die Isolierung der Saatfelder für unterschiedliche Sorten ist ein großes Problem bei der Maissaatgutproduktion in meinem Land und plagt die Arbeiter in der Saatgutindustrie meines Landes schon seit langem.“ Der Forscher Chen Huabang gab ein Beispiel. In Zhangye, Gansu, dem „heiligen Land der Saatgutproduktion“ meines Landes, muss auf einer Fläche von etwa einer Million Mu jedes Jahr die Aufgabe übernommen werden, etwa hundert verschiedene Saatgutsorten zu produzieren. Die Koordination und Gestaltung der „Isolationszone“ ist zu einer der größten Herausforderungen für die lokale Saatgutproduktion geworden.

Die Anwendung von UCI und die wissenschaftliche Anordnung zwischen verwandten Standorten werden eine „Saatgutproduktion ohne Isolierung“ ermöglichen.

Gleichzeitig verbessert sich der Lebensstandard der Menschen und die Nachfrage nach Spezialmais in der medizinischen und industriellen Produktion steigt. Daher ist die Reinheit von Spezialmais ein wichtiges Kriterium für die Messung seines wirtschaftlichen Werts. „Die Anwendung von UCI wird auch ein wirksames Mittel sein, um zu verhindern, dass Spezialmais durch gewöhnlichen Mais verunreinigt wird“, sagte der Forscher Chen Huabang.

„Dies ist eine hervorragende Studie, die wertvolle Einblicke in einseitige Hybrid-Inkompatibilitätssysteme bei Mais liefert. Sie sind wichtig und werden sowohl für die Popcorn-Industrie als auch für den Bio-/GVO-Markt von großem Wert sein“, sagte ein anderer Gutachter.

Der im Norden angebaute weiße, essbare Mais ist eine neue, unidirektionale, hybride, inkompatible Sorte und zeigt keine Kreuzbestäubung mit dem benachbarten gelben Mais. Foto vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt

Wissenschaftliche Forschung gelingt nie über Nacht. Gerade aufgrund der mehr als zehnjährigen Beharrlichkeit und Akkumulation hat das Team von Chen Huabang im Bereich der Mais-UCI mehrere innovative Forschungsergebnisse von „Null auf Eins“ und von einfach bis gründlich erzielt und so das Verständnis der Menschen für UCI im letzten Jahrhundert aufgefrischt.

„Wir können jetzt mit Sicherheit sagen, dass chinesische Wissenschaftler bei der Erforschung der Einweg-Hybridinkompatibilität bei Mais weltweit führend sind.“ Chen Huabang hofft, die theoretische Forschung noch stärker mit der praktischen Anwendung zu verbinden, um die industrielle Entwicklung und die Verbesserung der Saatgutproduktionstechnologie voranzutreiben.

Zugehörige Papierinformationen:

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29729-z.

https://doi.org/10.1038/s41467-018-06139-8