Eine neue Entdeckung, über die in einer globalen Studie berichtet wurde, die mehr als ein Jahrzehnt Forschung umfasste, könnte zur Züchtung von Maispflanzen führen, die Dürren und stickstoffarmen Bodenbedingungen standhalten und letztendlich die globale Ernährungsunsicherheit verringern können, so ein von der Penn State geleitetes Unternehmen Workforce aus internationalen Forschern.
In den am 16. März veröffentlichten Ergebnissen in der Lawsuits of the Nationwide Academy of Scienceidentifizierten die Forscher ein Gen, das einen Transkriptionsfaktor kodiert – ein Protein, das für die Umwandlung von DNA in RNA nützlich ist – das eine genetische Sequenz auslöst, die für die Entwicklung eines wichtigen Merkmals verantwortlich ist, das es Maiswurzeln ermöglicht, mehr Wasser und Nährstoffe aufzunehmen.
Dieses beobachtbare Merkmal oder Phänotyp wird Wurzelkortikales Aerenchym genannt und führt dazu, dass sich in den Wurzeln Luftwege bilden, so Jonathan Lynch, Leiter des Forschungsteams, angesehener Professor für Pflanzenwissenschaften. Sein Workforce an der Penn State hat gezeigt, dass dieser Phänotyp Wurzeln metabolisch billiger macht, sodass sie den Boden besser erkunden und mehr Wasser und Nährstoffe aus trockenem, unfruchtbarem Boden aufnehmen können.
Jetzt schafft die Identifizierung des genetischen Mechanismus hinter dem Merkmal ein Zuchtziel, bemerkte Lynch, dessen Forschungsgruppe am Faculty of Agricultural Sciences die Wurzelmerkmale von Mais und Bohnen in den Vereinigten Staaten, Asien, Lateinamerika, Europa und Afrika für mehr untersucht hat mehr als drei Jahrzehnten mit dem Ziel, die Ernteleistung zu verbessern.
Diese neueste Forschung wurde von Hannah Schneider geleitet, ehemals Doktorandin und dann Postdoktorandin im Lynch-Exertions, jetzt Assistenzprofessorin für Pflanzenphysiologie an der Wageningen College & Analysis, Niederlande. In der Studie verwendete sie leistungsstarke genetische Werkzeuge, die in früheren Forschungsarbeiten an der Penn State entwickelt wurden, um eine „Hochdurchsatz-Phänotypisierung“ durchzuführen, um die Eigenschaften von Tausenden von Wurzeln in kurzer Zeit zu messen.
Mithilfe von Technologien wie der Laser-Ablations-Tomographie und der Anatomics Pipeline sowie genomweiten Assoziationsstudien fand sie das Gen – einen „bHLH121-Transkriptionsfaktor“ – das bewirkt, dass Mais kortikales Aerenchym in der Wurzel exprimiert. Das Auffinden und anschließende Validieren der genetischen Grundlagen des Wurzelmerkmals erforderte jedoch einen längeren Aufwand, betonte Schneider.
„Wir haben die ersten Feldexperimente, die in diese Studie einflossen, ab 2010 durchgeführt und mehr als 500 Maislinien an Standorten in Pennsylvania, Arizona, Wisconsin und Südafrika angebaut“, sagte sie. „Ich habe an all diesen Orten gearbeitet. Wir haben überzeugende Beweise dafür gesehen, dass wir ein Gen gefunden haben, das mit dem kortikalen Aerenchym der Wurzel assoziiert ist.“
Doch die Erprobung des Konzepts habe lange gedauert, erzählt Schneider. Die Forscher erstellten mehrere mutierte Maislinien mit genetischen Manipulationsmethoden wie dem CRISPR/Cas9-Gen-Modifying-Gadget und Gen-Knockouts, um den kausalen Zusammenhang zwischen dem Transkriptionsfaktor und der Bildung von wurzelkortikalem Aerenchym aufzuzeigen.
„Es hat Jahre gedauert, nicht nur diese Linien zu erstellen, sondern sie auch unter verschiedenen Bedingungen zu phänotypisieren, um die Funktion dieses Gens zu validieren“, sagte sie. „Wir haben 10 Jahre damit verbracht, unsere Ergebnisse zu bestätigen und zu validieren, um sicherzustellen, dass dies der Fall ist das Gen und der spezifische Transkriptionsfaktor, der die Bildung des wurzelkortikalen Aerenchyms steuert. Diese Artwork von Feldarbeit und das Ausgraben und Phänotypisieren von Wurzeln reifer Pflanzen struggle ein langer Prozess.“
In der Veröffentlichung berichteten die Forscher, dass funktionelle Studien zeigten, dass die mutierte Maislinie mit ausgeschaltetem bHLH121-Gen und eine mutierte CRISPR/Cas9-Linie, bei der das Gen bearbeitet wurde, um seine Funktion zu unterdrücken, beide eine verringerte Bildung von Aerenchym in der Wurzelrinde aufwiesen. Im Gegensatz dazu zeigte eine Überexpressionslinie im Vergleich zur Wildtyp-Maislinie eine signifikant stärkere Wurzelkortikalis-Aerenchymbildung.
Die Charakterisierung dieser Linien unter suboptimaler Wasser- und Stickstoffverfügbarkeit in mehreren Bodenumgebungen ergab, dass das bHLH121-Gen für die Bildung von wurzelkortikalem Aerenchym erforderlich ist, so die Forscher. Und die Gesamtvalidierung der Bedeutung des bHLH121-Gens für die Bildung von kortikalen Aerenchymen in der Wurzel, so schlagen sie vor, liefert einen neuen Marker für Pflanzenzüchter, um Sorten mit verbesserter Bodenerkundung und damit Ertrag unter suboptimalen Bedingungen auszuwählen.
Für Lynch, der Ende dieses Jahres aus der Fakultät für Pflanzenwissenschaften ausscheiden will, ist diese Forschung der Höhepunkt von 30 Jahren Arbeit an der Penn State.
„Diese Ergebnisse sind das Ergebnis vieler Menschen bei Penn State und darüber hinaus, die über viele Jahre hinweg mit uns zusammengearbeitet haben“, sagte er. „Wir entdeckten die Funktion des Aerenchym-Merkmals und dann das damit verbundene Gen, und es kam aufgrund von Technologien zustande, die hier an der Penn State entwickelt wurden, wie z und Anatomics Pipeline. All das haben wir in dieser Arbeit zusammengeführt.“
Die Ergebnisse sind signifikant, fuhr Lynch citadel, denn die Suche nach einem Gen hinter einem wichtigen Merkmal, das Pflanzen zu einer besseren Dürretoleranz und einer besseren Stickstoff- und Phosphoraufnahme verhelfen wird, ist angesichts des Klimawandels von großer Bedeutung.
„Das sind superwichtige Qualitäten – sowohl hier in den USA als auch auf der ganzen Welt“, sagte er. „Dürren sind das größte Risiko für Maisbauern und verschärfen sich mit dem Klimawandel, und Stickstoff ist der größte Kostenfaktor für den Maisanbau, sowohl aus finanzieller als auch aus ökologischer Sicht. Die Züchtung von Maislinien, die den Nährstoff effizienter aufnehmen, wäre eine wichtige Entwicklung. „
Zur Forschung an der Penn State trugen Kathleen Brown, Professorin für Pflanzenstressbiologie, jetzt im Ruhestand, Meredith Hanlon, Postdoktorandin, Division of Plant Science; Stephanie Klein; Doktorand in Pflanzenwissenschaften; und Cody Depew, Postdoktorand, Abteilung für Pflanzenwissenschaften; und Vai Lor, Shawn Kaeppler und Xia Zhang, Division of Agronomy und Wisconsin Crop Innovation Middle, College of Wisconsin; Patompong Saengwilai, Institut für Biologie, Naturwissenschaftliche Fakultät, Mahidol College, Bangkok, Thailand; Jayne Davis, Rahul Bhosale und Malcolm Bennett, Long run Meals Beacon und College of Biosciences, College of Nottingham, Loughborough, UK; Aditi Borkar, Fakultät für Veterinärmedizin und -wissenschaften, Universität Nottingham, Sutton Bonington, Großbritannien.
Das US-Energieministerium, die Howard G Buffett Basis und das Nationwide Institute of Meals and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums unterstützten diese Forschung.