Wie Gräser Inzucht verhindern
Forschende der ETH Zürich konnten zeigen, welche Gene verhindern, dass sich Gr?ser selber befruchten. Pflanzenwissenschaftler:innen k?nnen den Mechanismus nun gezielter einsetzen, um neue Sorten von Futtergr?sern aber auch von Reis oder Gerste zu züchten.
Mais, Reis, Weizen, Zuckerrohr – die Pflanzenfamilie der Süssgr?ser hat einige Vertreter hervorgebracht, die für den Menschen ?usserst wichtige Nahrungsquellen sind und seit Jahrtausenden kultiviert und weitergezüchtet werden. Auch Wild- und Nutztiere h?ngen stark von Gr?sern ab: Kühe, Schafe, Pferde, aber auch Bisons, Hirsche oder Zebras fressen vorwiegend Gras. In der Schweiz ist fast 70 Prozent der landwirtschaftlichen Nutzfl?che Grasland.
Natürlicher Mechanismus erschwert Züchtung
Doch die Züchtung von Gr?sern ist von Natur aus schwierig: Wie viele andere Samenpflanzen auch haben Gr?ser im Laufe der Evolution einen Mechanismus entwickelt, der verhindert, dass sich ein Individuum selber befruchten kann. Selbstinkompatibilit?t nennen Fachleute diesen Mechanismus. Konkret sorgt dieser dafür, dass eigener Pollen oder solcher von nahverwandten Individuen nicht in den Fruchtknoten einer Pflanze einwachsen und dort die Eizellen befruchten kann. Dadurch wird Inzucht mit all ihren Begleiterscheinungen verhindert.
Für die Pflanzenzüchtung kann die Selbstinkompatibilit?t ein Nachteil sein. Sie erschwert nicht nur die Erstellung von reinerbigen Linien, sondern kann auch die Kreuzung zweier nah verwandter Individuen beeintr?chtigen. Damit ist es schwieriger, Zuchtfortschritt für gewünschte Pflanzeneigenschaften mittels klassischer Kreuzung zu erzielen. Um jedoch verschiedene Strategien der Pflanzenzüchtung ausreizen zu k?nnen, sind genaue Kenntnisse zur Selbstinkompatibilit?t entscheidend.
Selbstinkompatibilit?ts-Gene von Gr?sern entziffert
?ber die genetischen Grundlagen der Selbstinkompatibilit?t bei Gr?sern ist nur wenig bekannt. In den 1960er Jahren zeigten Pflanzenwissenschaftler, dass es zwei Genorte (Loci) im Erbmaterial von Gr?sern geben muss, die an der Selbstinkompatibilit?t beteiligt sind. Welche Gene es tats?chlich waren, konnten die Forschenden mit den damaligen Methoden nicht ermitteln.
Nun haben Forschende um Bruno Studer, Professor für Molekulare Pflanzenzüchtung, anhand des Englischen Raigrases (Lolium perenne L.) die für die Selbstinkompatibilit?t verantwortlichen Gene erstmals identifizieren und die Abfolge ihrer Bausteine (DNA-Basensequenz) bestimmen k?nnen. Das Englische Raigras ist eines der wichtigsten Futter- und Rasengr?ser weltweit.
?Den Durchbruch verdanken wir den Fortschritten bei Genomanalysen. Diese haben es uns erst in den vergangenen Jahren erlaubt, rasch und umfassend das gesamte Erbgut eines einzelnen Organismus zu sequenzieren.?Bruno Studer
Studer hat über 15 Jahre zusammen mit Forschenden aus D?nemark, Wales und den USA an diesem Thema gearbeitet: 2006 fand er Gene, die den Samenertrag von Futtergr?sern schm?lerten. Gesucht hatte er das Gegenteil, n?mlich Gene, die den Samenertrag steigern. Sp?ter entpuppten sich die gefundenen Gene als diejenigen, die bei der Selbstinkompatibilit?t eine Rolle spielen. 2017 gelang es seinem Team, die beiden Gen-Orte auf wenige Kandidaten-Gene einzugrenzen, und nun liefern Studer und seine Mitarbeitenden eine genaue Beschreibung der drei Gene, aus denen die Gen-Orte effektiv zusammengesetzt sind.
?Den Durchbruch verdanken wir den Fortschritten bei Genomanalysen. Diese haben es uns erst in den vergangenen Jahren erlaubt, rasch und umfassend das gesamte Erbgut eines einzelnen Organismus zu sequenzieren?, betont Studer.
Die Erkenntnisse er?ffnen neue M?glichkeiten für die Züchtung von Futtergr?sern, aber auch von wichtigen selbstbest?ubenden Grasnutzpflanzen des Menschen wie Reis oder Gerste. Kennt man die Gene der Selbstinkompatibilit?t, kann man diese gezielt beeinflussen. Entweder schaltet man sie aus, sodass Linienzüchtung von genetisch einheitlichen Pflanzen m?glich wird. Oder man führt die Gene ins Genom von den Gr?sern ein, die die Selbstinkompatibilit?t verloren haben, um genetisch vielf?ltige Populationen zu züchten. Für Bruno Studer ist klar: ?Mit der Kenntnis dieser Gene haben wir eine wichtige Grundlage, um den Mechanismus zu kontrollieren und ihn für die Züchtung zu nutzen.?
Zusammenspiel zweier entfernt gelegener Loci
Die Selbstinkompatibilit?t bei Gr?sern basiert im Wesentlichen auf dem Zusammenspiel der beiden Gen-Orte (dem S-Locus und dem Z-Locus), die auf unterschiedlichen Chromosomen liegen.
Die Gene sind der Bauplan für drei unterschiedliche Proteine, die eine Art Schlüssel-Schloss-Mechanismus aufbauen. Dieser erkennt, ob der Pollen, der auf das Narbengewebe gelangt ist, genetisch ?hnlich oder fremd ist. Das l?st ein entsprechendes Signal aus, welches den Befruchtungsvorgang vorzeitig abbricht oder fortsetzt und zu Ende führt.
Wie die Strukturen der beteiligten Proteine aussehen und wie diese zusammenspielen, um fremden von eigenem Pollen zu unterscheiden, erforschen die Pflanzenwissenschaftler:innen um Studer derzeit. Dafür nutzen die Forschenden spezielle Methoden der künstlichen Intelligenz, die aufgrund der Gensequenzen die Struktur der dazugeh?rigen Proteine berechnet, und Modelle, welche die Wechselwirkungen dieser Moleküle simulieren.
Einzigartiger Mechanismus in der Pflanzenevolution
Darüber hinaus untersuchten die Forschenden, wie Selbstinkompatibilit?t basierend auf zwei Gen-Orten in der Grasfamilie entstehen konnte. Bisher bekannte Mechanismen aus anderen Pflanzenfamilien beruhen n?mlich lediglich auf einem Genort. So ist es wahrscheinlich, dass sich in der Entwicklungsgeschichte der Gr?ser der Z-Locus zun?chst verdoppelte und sich die Kopie sp?ter diversifizierte, also durch zahlreiche Mutationen ver?nderte.
?Wir haben in der Zwischenzeit diese beiden Gen-Orte von sehr vielen Graspflanzen sequenziert. Wir sehen, dass der S-Locus tendenziell weniger Variationen aufweist und sich noch weiter diversifiziert, der Z-Locus hingegen ver?ndert sich weniger stark. Daraus schliessen wir, dass der Z-Locus entwicklungsgeschichtlich ?lter sein k?nnte?, erkl?rt Studer.
Im Stammbaum der Gr?ser haben die Forschenden zudem zurückverfolgt, wann die Locus-Verdoppelung aufgetreten ist und wann sich die Kulturgrasarten voneinander abtrennten. Sie konnten im Stammbaum auch erkennen, welche Gr?ser die Locus-Verdoppelung nicht mitgemacht haben und bei welchen Arten die Selbstinkompatibilit?t verloren ging, etwa durch Mutationen.
Was aber ist der evolution?re Vorteil von Selbstinkompatibilit?t, welche auf zwei Gen-Orten beruht? ?Auf den ersten Blick sieht es danach aus, dass sich dadurch in der Grasfamilie viel mehr M?glichkeiten und Flexibilit?t in der Erkennung von eigenem Pollen er?ffneten?, sagt der ETH-Professor. Dies k?nnte für die Grasfamilie wichtig sein: Sie ist mit 16'000 Arten, die auf allen Kontinenten verbreitet sind, eine der gr?ssten und erfolgreichsten Pflanzenfamilien überhaupt.
Literaturhinweis
Rohner M, Manzanares C, Yates S, Thorogood D, Copetti D, Lübberstedt T, Asp T, Studer B: Fine-mapping and comparative genomic analysis reveal the gene composition at the S and Z self-incompatibility loci in grasses. Molecular Biology and Evolution, Volume 40, Issue 1, Januar 2023, msac259, DOI: externe Seite 10.1093/molbev/msac259