Wie hoch eine Kokospalme wachsen kann, wurde vor 4 Millionen Jahren bestimmt

Die Kokosnuss ist eine wichtige tropische Öl- und Fruchtpflanze mit vielfältigen Eigenschaften. Beispielsweise sind manche Pflanzen größer als andere, manche haben mehr oder weniger Kokosfleisch und manche haben größere oder kleinere Schalen ... Was sind die Ursachen für diese Unterschiede? Es gibt so viele Geheimnisse rund um Kokosnüsse, die es zu lösen gilt.

In einem kürzlich in Genome Biology veröffentlichten Artikel hat ein Forschungsteam hochwertige Referenzgenome von hohen und niedrigen Kokosnüssen kartiert, den Evolutionsprozess der Chromosomen von Monokotyledonen enthüllt, die genetische Grundlage der Unterschiede bei Schlüsselmerkmalen wie Pflanzenhöhe und Fasergehalt zwischen hohen und niedrigen Kokosnüssen analysiert und den entscheidenden „Schalter“ entdeckt, der die Höhe steuert. Damit hat es die „Grüne Revolution“ der Kokosnuss entschlüsselt, die vor etwa 4 Millionen Jahren stattfand.

Foto der grünen Zwergkokosnusspalme vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt

Kartierung eines hochwertigen Referenzgenoms

Kokosnüsse sind eine der wichtigsten Nutzpflanzen Hainans. Im Jahr 2020 betrug die Kokosnusswaldfläche der Provinz 517.900 Mu, mit einer jährlichen Produktion von etwa 223 Millionen Kokosnüssen. Mehr als zwei Millionen Menschen in der Provinz sind direkt oder indirekt in der Kokosnussindustrie tätig, deren jährlicher Gesamtproduktionswert über 20 Milliarden Yuan beträgt.

„Obwohl die Kokosnussindustrie sehr angesagt ist, ist die Grundlagenforschung zur Kokosnuss relativ rückständig.“ Xiao Yong, Co-Erstautor des Artikels und Forscher am Coconut Research Institute der Chinesischen Akademie für tropische Agrarwissenschaften, sagte dies in einem Interview mit China Science Daily.

Um einige wichtige biologische Phänomene und Probleme zu analysieren, ist es zunächst erforderlich, qualitativ hochwertige Genome zu erhalten.

Das Forschungsteam verwendete Sequenzierungstechnologien der dritten Generation und Hi-C, um zwei Kokosnuss-Referenzgenome auf Chromosomenebene für große und kleine Kokosnüsse zusammenzustellen und zu erhalten.

Darunter beträgt die Genomgröße der großen Kokosnuss 2,39 GB und die Genomgröße der Zwergkokosnuss 2,40 GB, und die Genome wurden separat annotiert.

Durch eine vergleichende Analyse des Kokosnussgenoms mit dem von Seerosen und Ölpalmen fand das Forschungsteam heraus, dass es bei der Kokosnuss zu zwei Genomduplikationen gekommen war, von denen einer nur in der Familie der Palmaceae auftrat.

Kokosnuss und Ölpalme, die beide zur Familie der Palmen gehören, haben sich vor etwa 27 Millionen Jahren differenziert, während sich die große Kokosnuss und die Zwergkokosnuss vor etwa 4 Millionen Jahren differenziert haben.

„Die Palmenfamilie, zu der die Kokosnuss gehört, ist eine der älteren Gruppen einkeimblättriger Pflanzen und eine ideale Art für die Untersuchung der Chromosomenevolution einkeimblättriger Pflanzen und der Differenzierung alter Pflanzen“, sagte Wang Shouchuang, Co-Erstautor des Artikels und Professor an der Hainan-Universität, in einem Interview mit China Science Daily.

Durch eine vergleichende Analyse des hochwertigen Kokosnussgenoms mit den Genomen von Monokotyledonen wie Spirodendrum und Ananas rekonstruierte das Forschungsteam den Karyotyp der Vorfahrenzellen von Monokotyledonen mit 10 Chromosomen auf Grundlage der Theorie und des Modells der telomerzentrierten Chromosomenrekonstruktion, die auf einer stärkeren Beweislage beruht als die zuvor berichteten Karyotypen mit 5 oder 7 Chromosomen. und basierend auf diesem Karyotyp weitere Rückschlüsse auf den Evolutionsprozess der 16 Chromosomen im Kokosnussgenom gezogen.

Die oben genannten Forschungsergebnisse helfen uns, die Karyotypveränderungen von Monokotyledonen und sogar den Evolutionsprozess von Angiospermen besser zu verstehen.

Das Rätsel um die Kokosnusshöhe lösen

Kokosnüsse werden hauptsächlich in zwei Untergruppen unterteilt: große Arten und Zwergarten. Zwischen den beiden Untergruppen gibt es viele Unterschiede in den Merkmalen.

Der offensichtlichste Unterschied ist die Höhe. Hohe Kokosnusspflanzen erreichen eine Höhe von 15 bis 30 Metern, während Zwergkokosnusspflanzen nur eine Höhe von 5 bis 15 Metern erreichen.

Es gibt so einen großen Unterschied. Was bestimmt den Unterschied in der Pflanzenhöhe zwischen hohen Kokospalmen und Zwergkokospalmen?

„Das Interessanteste an diesem Erfolg ist, dass wir mithilfe einer Genom-Assoziationsanalyse in Kombination mit biochemischen, molekularen und physiologischen Methoden das Schlüsselgen klonen konnten, das die Höhe der Kokosnuss steuert – das GA20ox-Gen auf Chromosom 12. Wir fanden außerdem heraus, dass dieses Gen tatsächlich ein homologes Gen zu den ‚Grüne Revolution‘-Genen in Reis, Mais und Weizen ist.“ Luo Jie, Co-Autor des Artikels und Professor an der Hainan-Universität, wies in einem Interview mit China Science Daily darauf hin.

Das Gen der „Grünen Revolution“ hat eine außerordentliche Bedeutung für die Menschheit. Vor etwa 60 Jahren waren die hohen Pflanzen von Nutzpflanzen wie Reis, Mais und Weizen nicht windbeständig und fielen leicht um, was zu geringeren Erträgen führte.

Durch molekularbiologische Methoden entdeckten Züchter ein Zwergwuchsgen, das später als „Grüne Revolution“-Gen bezeichnet wurde. Durch Züchtung entstanden Zwergsorten, die das Problem des „Nahrungsmangels“ lösten und die Ernährungssicherheit gewährleisteten.

„Unter Berücksichtigung der oben genannten Ergebnisse zeigt sich, dass während des Unterartendifferenzierungsprozesses der Kokosnuss vor etwa 4 Millionen Jahren eine ‚Grüne Revolution‘ stattfand, die dem Halbzwergzuchtprozess von Nutzpflanzen wie Reis und Mais ähnelt.“ Roger sagte, was die Menschen vor 60 Jahren getan hätten, habe die Natur bereits vor 4 Millionen Jahren getan.

Die Kokosnussindustrie hat große Aussichten, aber die Menge reicht nicht aus. Ein sehr wichtiger Grund besteht darin, dass der Wachstumszyklus der Kokosnuss sehr lang ist, was die Züchtung in großen Mengen schwierig macht. Es dauert 8 bis 10 Jahre, bis große Kokospalmen Früchte tragen, während es bei Zwergkokospalmen 3 bis 5 Jahre dauert. Bei der Anwendung herkömmlicher Hybridzüchtungstechniken kann es mehrere Generationen und Jahrzehnte dauern, bis die Züchtung einer Sorte abgeschlossen ist.

„Mit diesem Gen zur Kontrolle der Pflanzenhöhenmerkmale können wir molekulare Marker entwickeln und Zwergkokosnüsse auswählen, die sich im Voraus leichter pflücken lassen. Dies kann viel Zeit und Ressourcen sparen, den Züchtungsprozess erheblich beschleunigen und eine schnellere Entwicklung der Kokosnussindustrie fördern.“ Wang Hui, stellvertretender Direktor des Kokosnuss-Forschungsinstituts der Chinesischen Akademie für tropische Agrarwissenschaften, sagte gegenüber China Science Daily.

Die Analyse der Schlüsselmerkmale ist von großer Bedeutung

Neben der Höhe weisen Kokosnüsse noch weitere unterschiedliche Merkmale auf. Beispielsweise ist der Zellulosegehalt in den Früchten großer Kokosnüsse relativ hoch, während der Zellulosegehalt in den Früchten kleiner Kokosnüsse relativ niedrig ist.

„Hochkultivierte Kokosnüsse ähneln eher wilden Kokosnüssen. Wir vermuten, dass Kokosnüsse von tropischen Inselstaaten durch Meeresströmungen in andere Gebiete gelangten und der Fasergehalt ein wichtiger Faktor dafür war, ob sie an Land driften konnten. Diese Eigenschaft ist eng mit der Evolution der Kokosnüsse verbunden“, sagte Wang Shouchuang.

Tatsächlich waren die ursprünglichen Kokosnüsse sehr klein. Beispielsweise war die Melonenkern-Kokosnuss nur so groß wie eine Dattel. Um schwimmen zu können, wurden die Fasern im Laufe der natürlichen Evolution immer länger. Der hohe Zellulosegehalt trägt dazu bei, dass die Kokosnuss auf dem Wasser schwimmt, während Kokosnüsse mit niedrigem Zellulosegehalt ins Meer sinken.

Das Forschungsteam verwendete Multi-Omics- und zytologische Methoden, um dieses Phänomen zu analysieren. „Fasern bestehen hauptsächlich aus Lignin und Zellulose. Wir haben uns auf diese beiden Aspekte konzentriert und alle Gene in den Synthesewegen von Lignin und Zellulose untersucht, um zu sehen, ob sich die Expression dieser Gene bei großen und kleinen Kokosnüssen unterscheidet.“

Die Analyseergebnisse zeigten, dass der Unterschied tatsächlich enorm war. Das Expressionsniveau verwandter Gene war bei großen Kokosnussbäumen sehr hoch, bei Zwergkokosnussbäumen jedoch sehr niedrig. „Xiao Yong stellte vor. Dieses Mal haben sie vorläufig die Stellen und Gene gefunden, die die Zellulosesynthese steuern.

Wie das Sprichwort sagt: „Man kann nicht alles haben.“ Xiao Yong sagte, dass bei einem zu hohen Zellulosegehalt das Volumen in der Mitte der Schale sehr klein sein wird und auch weniger Kokosfleisch und Kokossaft im Inneren vorhanden sein werden.

Zunächst selektierte die Natur Kokosnüsse mit höherem Zellulosegehalt. Später entstanden mit der Entwicklung der künstlichen Selektion nach und nach Kokosnusssorten mit mehr Fleisch und Saft.

Neben der Pflanzenhöhe und dem Fasergehalt analysierte das Forschungsteam auch die genetische Grundlage der Unterschiede bei wichtigen Merkmalen wie Salztoleranz und Lipidgehalt zwischen großen und kleinen Kokosnüssen.

„Nachdem wir die Schlüsselgene für diese Eigenschaften entdeckt haben, besteht unser nächster Schritt darin, ein molekulares Züchtungssystem zu entwickeln, um die Züchtung zu beschleunigen. Dies wird einen enormen Beitrag für die Branche leisten. Wir können uns auch die Gene „ausleihen“, die hervorragende Eigenschaften bestimmen. So können wir beispielsweise salztolerante Gene auf andere Nutzpflanzen übertragen, um deren Salztoleranz zu verbessern, was zur genetischen Verbesserung anderer Sorten beitragen wird“, sagte Wang Hui.

„Die Kokosnuss enthält den höchsten Laurinsäuregehalt aller uns bekannten Pflanzen und ist ein wichtiger Rohstoff für Kosmetika. Die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Lipidsynthese und -regulierung in der Kokosnuss wird dazu beitragen, die Wertschöpfungskette der Kokosnussindustrie zu erweitern“, sagte Wang Shouchuang.

Zugehörige Papierinformationen:

https://doi.org/10.1186/s13059-021-02522-9

China Science Daily (23.11.2021, Ausgabe 3: Agrarwissenschaft und -technologie)

Autor: Zhang Qingdan

Originaltitel: „Die Größe von Kokospalmen wurde vor 4 Millionen Jahren bestimmt! 》

Herausgeber | Zhao Lu

Schriftsatz | Guo Gang