Neuer Ansatz zur Entschlüsselung des Pflanzenwachstums
Die Genetik des Pflanzenwachstums galt lange als zu komplex für eine detaillierte Kartierung. Forschenden der Universität Hohenheim, des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) ist es nun gelungen, relevante DNA-Abschnitte durch die Analyse von Stoffwechselkomponenten einzugrenzen. Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
Pflanzenwachstum ist ein komplexer Prozess, der von vielen Genen gesteuert wird. Am Beispiel von Mais konnten Züchtungsforscher der Universität Hohenheim erstmals DNA-Abschnitte identifizieren, die für das Wachstum relevant sind. Als Orientierung dienten ihnen dabei Stoffwechselkomponenten, die das Wachstum beeinflussen.
Das Pflanzenwachstum ist ein sehr komplexer Prozess, bei dem viele Gene beteiligt sein müssen.
erklärt Prof. Dr. Albrecht Melchinger, Leiter des Fachgebiets Angewandte Genetik und Pflanzenzüchtung der Universität Hohenheim.
In unserem Verständnis klaffte eine riesige Lücke zwischen dem genetischen Code einer Pflanze und ihrem Erscheinungsbild auf dem Feld.
ergänzt Doktorand Christian Riedelsheimer.
Stoffwechselkomponenten als Wegweiser zum DNA-Code
Die Forscher wählten einen Ansatz, der den Stoffwechsel der Pflanze einbezieht, anstatt ausschließlich den genetischen Code nach Kontrollstellen für das Pflanzenwachstum zu durchsuchen. Dafür extrahierten sie Stoffwechselkomponenten aus den Blättern von 300 Maispflanzen unterschiedlicher Größe. Am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm wurden die Gehalte von 118 verschiedenen Substanzen bestimmt, von denen viele am Pflanzenwachstum beteiligt sind. Hierfür kamen moderne Analyseplattformen zum Einsatz, die eine präzise Messung der Inhaltsstoffe ermöglichen.
Jede Substanz ist wie ein Bauteil für eine ganz bestimmte Funktion und zusammen ergeben sie ein funktionierendes Gebäude.
vergleicht der Max-Planck-Forscher Prof. Dr. Lothar Willmitzer. Ein Beispiel hierfür sind Vorstufen für die Ligninproduktion, ein Molekül, das Pflanzen verholzen lässt und somit die Grundlage für einen stabilen Wuchs bildet.
Statistisches Verfahren aus der Humanmedizin
Mit diesen detaillierten Kenntnissen bestimmten die Forscher die Genomabschnitte, die die Produktion der Stoffwechselkomponenten steuern. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben wurden umfangreiche Genomdaten erhoben und ein effektives statistisches Analyseverfahren angewendet.
Für die Identifikation haben wir sehr umfangreiche Genomdaten erhoben und ein sehr effektives statistisches Analyseverfahren verwendet.
so Prof. Dr. Thomas Altmann vom IPK in Gatersleben. Dieses Verfahren wird bisher vor allem in der Humangenetik eingesetzt, um genetische Ursachen von Krankheiten wie Krebs oder Diabetes zu ermitteln.
Kartierung lokalisiert genetische Regulation von 26 Metaboliten
Die Wissenschaftler konnten die genetischen Kontrollstellen für 26 Stoffwechselmetaboliten präzise lokalisieren. Obwohl die Genetik des Wachstums damit noch nicht vollständig aufgeklärt ist, zeigt der Ansatz einen vielversprechenden Weg auf.
Unser Ansatz zeigt jedoch einen vielversprechenden Weg, tiefere Einblicke in die Pflanze und deren Regulation des Wachstums zu nehmen.
so Doktorand Riedelsheimer. Bereits in einer früheren Veröffentlichung in Nature Genetics am 15. Januar 2012 zeigte das Team, dass Stoffwechselkomponenten eine Schlüsselrolle in der Züchtungsforschung spielen können. Durch Stoffwechseluntersuchungen und Genanalysen konnten ideale Elternpaare für neue Züchtungen mit höherem Ertrag identifiziert werden.
Hintergrund: Forschungsprojekt GABI
Die aktuelle Forschungsarbeit basiert auf Vorstudien mit der Modellpflanze Arabidopsis (Ackerschmalwand). Die Publikation in den Proceedings of the National Academy of Sciences entstand im Rahmen des Forschungsprojektes GABI-ENERGY. GABI steht für Genomanalyse im biologischen System Pflanze. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte das Projekt mit rund 2,7 Millionen Euro.
Originalpublikation
Christian Riedelsheimer, Jan Lisec, Angelika Czedik-Eysenberg, Ronan Sulpice, Anna Flis, Christoph Grieder, Thomas Altmann, Mark Stitt, Lothar Willmitzer & Albrecht E Melchinger: Genome-wide association mapping of leaf metabolic profiles for dissecting complex traits in maize. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Online-Veröffentlichung am 22. Mai 2012.