27.07.2021 - The University of Chicago

RNA-Durchbruch schafft Pflanzen, die 50% mehr Kartoffeln und Reis wachsen lassen

UChicago-geführte Forschung könnte die Nahrungsmittelproduktion steigern und die Trockentoleranz erhöhen

Die Manipulation von RNA kann es Pflanzen ermöglichen, einen dramatisch höheren Ertrag zu erzielen und die Trockentoleranz zu erhöhen. Dies gab eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of Chicago, der Peking University und der Guizhou University bekannt.

In ersten Tests steigerte das Hinzufügen eines Gens, das für ein Protein namens FTO kodiert, den Ertrag von Reis- und Kartoffelpflanzen in Feldversuchen um 50 %. Die Pflanzen wuchsen deutlich größer, bildeten längere Wurzelsysteme aus und waren besser in der Lage, Trockenstress zu verkraften. Die Analyse zeigte auch, dass die Pflanzen ihre Photosyntheserate erhöht hatten.

"Die Veränderung ist wirklich dramatisch", sagte Prof. Chuan He von der University of Chicago, der zusammen mit Prof. Guifang Jia von der Peking University die Forschung leitete. "Darüber hinaus funktionierte es mit fast jeder Pflanzenart, mit der wir es bisher ausprobiert haben, und es ist eine sehr einfach durchzuführende Modifikation."

Die Forscher sind hoffnungsvoll, was das Potenzial dieses Durchbruchs angeht, vor allem angesichts des Klimawandels und anderen Drucks auf die Pflanzensysteme weltweit.

"Dies bietet wirklich die Möglichkeit, Pflanzen so zu verändern, dass sie das Ökosystem bei fortschreitender globaler Erwärmung verbessern", sagt He, der John T. Wilson Distinguished Service Professor für Chemie, Biochemie und Molekularbiologie ist. "Wir verlassen uns auf Pflanzen für viele, viele Dinge - alles von Holz, Nahrung und Medizin bis hin zu Blumen und Öl - und dies bietet potenziell eine Möglichkeit, das Ausgangsmaterial zu erhöhen, das wir von den meisten Pflanzen bekommen können."

Reis auf den Weg gebracht

Seit Jahrzehnten arbeiten Wissenschaftler daran, die Pflanzenproduktion angesichts eines zunehmend instabilen Klimas und einer wachsenden Weltbevölkerung zu steigern. Aber solche Prozesse sind in der Regel kompliziert und führen oft nur zu schrittweisen Veränderungen.

Die Art und Weise, wie diese Entdeckung zustande kam, war ganz anders.

Viele von uns kennen RNA noch aus der Schulbiologie, wo uns beigebracht wurde, dass das RNA-Molekül die DNA abliest und dann Proteine herstellt, um Aufgaben auszuführen. Aber 2011 eröffnete He's Labor ein ganz neues Forschungsfeld, indem es den Schlüssel zu einer anderen Art und Weise entdeckte, wie Gene in Säugetieren exprimiert werden. Es stellte sich heraus, dass die RNA den DNA-Bauplan nicht einfach nur liest und blind ausführt; die Zelle selbst kann auch regulieren, welche Teile des Bauplans exprimiert werden. Sie tut dies, indem sie chemische Marker auf der RNA platziert, um zu modulieren, welche und wie viele Proteine gebildet werden.

Er und seine Kollegen erkannten sofort, dass dies große Auswirkungen auf die Biologie hat. Seitdem haben sein Team und andere auf der ganzen Welt versucht, unser Verständnis des Prozesses und seiner Auswirkungen auf Tiere, Pflanzen und verschiedene menschliche Krankheiten zu vertiefen; er ist zum Beispiel Mitbegründer eines Biotech-Unternehmens, das jetzt neue Krebsmedikamente entwickelt, die auf RNA-Modifikationsproteinen basieren.

Er und Guifang Jia, ein ehemaliger Postdoktorand der UChicago University, der jetzt außerordentlicher Professor an der Peking University ist, begannen sich zu fragen, wie es die Pflanzenbiologie beeinflusst.

Sie konzentrierten sich auf ein Protein namens FTO, das erste bekannte Protein, das chemische Markierungen auf RNA löscht und das Jia als Postdoc in He's Gruppe an der UChicago gefunden hatte. Die Wissenschaftler wussten, dass es auf RNA wirkt, um das Zellwachstum bei Menschen und anderen Tieren zu beeinflussen, also versuchten sie, das Gen dafür in Reispflanzen einzufügen - und beobachteten dann erstaunt, wie die Pflanzen abhoben.

"Ich glaube, in diesem Moment wurde uns allen klar, dass wir etwas Besonderes tun", sagte er.

Die Reispflanzen wuchsen unter Laborbedingungen dreimal mehr Reis. Als sie es in realen Feldversuchen ausprobierten, wuchsen die Pflanzen 50 % mehr Masse und lieferten 50 % mehr Reis. Sie wuchsen mit längeren Wurzeln, betrieben eine effizientere Photosynthese und konnten Trockenstress besser verkraften.

Die Wissenschaftler wiederholten die Versuche mit Kartoffelpflanzen, die zu einer ganz anderen Familie gehören. Die Ergebnisse waren die gleichen.

"Das deutete auf eine gewisse Universalität hin, die extrem aufregend war", sagte er.

Es dauerte länger, bis die Wissenschaftler begannen zu verstehen, wie dies geschah. Weitere Experimente zeigten, dass FTO schon früh in der Entwicklung der Pflanze anfing zu wirken und die Gesamtmenge der von ihr produzierten Biomasse steigerte.

Die Wissenschaftler glauben, dass FTO einen Prozess steuert, der als m6A bekannt ist, eine Schlüsselmodifikation der RNA. In diesem Szenario wirkt FTO, indem es die m6A-RNA löscht, um einige der Signale zu dämpfen, die den Pflanzen sagen, dass sie ihr Wachstum verlangsamen und reduzieren sollen. Stellen Sie sich eine Straße mit vielen Ampeln vor; wenn Wissenschaftler die roten Ampeln abdecken und die grünen stehen lassen, können immer mehr Autos die Straße entlang fahren.

Insgesamt produzierten die modifizierten Pflanzen deutlich mehr RNA als die Kontrollpflanzen.

Modifizierung des Prozesses

Bei dem in dieser Arbeit beschriebenen Prozess wird ein tierisches FTO-Gen in einer Pflanze verwendet. Aber wenn Wissenschaftler diesen Wachstumsmechanismus erst einmal vollständig verstanden haben, könnte es seiner Meinung nach alternative Wege geben, um den gleichen Effekt zu erzielen.

"Es scheint, dass Pflanzen bereits diese Ebene der Regulierung haben, und alles, was wir getan haben, ist, sie anzuzapfen", sagte er. "Der nächste Schritt wäre also, herauszufinden, wie man es mit der vorhandenen Genetik der Pflanze machen kann."

Er kann sich alle möglichen Anwendungen vorstellen - und er arbeitet mit der Universität und dem Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation zusammen, um die Möglichkeiten zu erkunden.

"Auch jenseits der Ernährung gibt es andere Folgen des Klimawandels", sagt He. "Vielleicht könnten wir in bedrohten Gebieten Gräser züchten, die der Trockenheit widerstehen. Vielleicht könnten wir einem Baum im Mittleren Westen beibringen, längere Wurzeln zu bilden, so dass er bei starken Stürmen weniger wahrscheinlich umkippt. Es gibt so viele mögliche Anwendungen."

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