DNA-Geheimnisse zur Verbesserung der Eigenschaften von Maispflanzen entdeckt
Entdeckung könnte es ermöglichen, neue Technologien einzusetzen, um Mais widerstandsfähiger und produktiver zu machen
Ein Team, dem auch Wissenschaftler der Rutgers University-New Brunswick angehören, hat einige Geheimnisse der Mais-DNA gelüftet und herausgefunden, wie bestimmte Abschnitte des genetischen Materials lebenswichtige Merkmale wie den Pflanzenaufbau und die Schädlingsresistenz steuern. Diese Entdeckung könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, neue Technologien einzusetzen, um Mais zu verbessern und ihn widerstandsfähiger und produktiver zu machen, so die Wissenschaftler.
In einem Bericht in der Wissenschaftszeitschrift Nature Plants beschreiben die Forscher, wie sie herausgefunden haben, wo bestimmte Proteine, die so genannten Transkriptionsfaktoren, an der DNA von Maispflanzen haften und wie diese Anhaftung die Art und Weise verändert, wie Gene in einem bestimmten Gewebe an- oder abgeschaltet werden. Sie untersuchten zwei Maislinien und fanden große Unterschiede an diesen Stellen in der DNA-Sequenz, was ihrer Meinung nach erklären könnte, warum die Pflanzen unterschiedlich aussehen und sich unterschiedlich verhalten.
"In dieser Arbeit haben wir herausgefunden, wo Transkriptionsfaktoren im Genom binden und somit die Expression von Maisgenen beeinflussen", sagte Andrea Gallavotti, Professor am Waksman-Institut für Mikrobiologie und einer der Autoren der Studie. "Wichtig ist, dass wir diese Analyse an zwei verschiedenen Maislinien durchgeführt haben, die sich in vielen Merkmalen unterscheiden, einschließlich der Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten und der Architektur.
In Nordamerika bezeichnen "corn" und "maize" dasselbe Getreidekorn. "Maize" ist jedoch der international anerkannte und wissenschaftlich bevorzugte Begriff, so Gallavotti, der auch Professor an der Abteilung für Pflanzenbiologie an der Rutgers School of Environmental and Biological Sciences ist.
Mais spielt weltweit in vielen Bereichen des täglichen Lebens eine Rolle. Er ist ein Grundnahrungsmittel für viele Kulturen auf der ganzen Welt und ist reich an Kohlenhydraten, Ballaststoffen, Vitaminen und Mineralien. Er wird auch in der Industrie verwendet - als Viehfutter, zur Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen, Klebstoffen und Textilien sowie zur Produktion von Ethanol.
Die Forschung ist ein gemeinsames Projekt von Wissenschaftlern der Rutgers und der New York University unter der Leitung von Shao-shan Carol Huang und anderen Institutionen, die sich auf die Erforschung des extrem komplexen und großen Maisgenoms konzentrieren. Diese Partnerschaft hat entscheidend dazu beigetragen, das Verständnis dafür zu verbessern, wann und wo Gene in Mais an- und abgeschaltet werden, so Gallavotti.
Das Team begann mit der Suche nach einem besseren Verständnis dafür, wie Transkriptionsfaktoren Maisgene modulieren, indem sie deren Aktivitätsniveau anpassen, regulieren oder kontrollieren. Nach Durchsicht großer Mengen bioinformatischer Daten erstellten sie eine Karte der Bindungsstellen von Transkriptionsfaktoren im Maisgenom. Die Transkriptionsfaktoren binden sich an spezielle Teile der DNA der Maispflanze, die so genannten cis-regulierenden Regionen.
Sobald die Forscher über diese Informationen verfügten, konnten sie diese Bindungsstellen zwischen verschiedenen Maislinien vergleichen, um Variationen zu verstehen. Das Team verglich in der Studie zwei verschiedene Arten von Maispflanzen, B73 und Mo17, miteinander.
"Wir haben festgestellt, dass es große Unterschiede in den Bindungsstellen von Transkriptionsfaktoren und in der Organisation dieser cis-regulatorischen Regionen in den beiden Maissorten gibt", so Gallavotti. "Diese Unterschiede wirken sich auf die Genexpression aus, und die daraus resultierenden Merkmale sind eine wichtige Quelle für die Variation bei Mais".
Mit Hilfe eines äußerst präzisen biologischen Werkzeugs, das als CRISPR-Cas9 bekannt ist, editierte das Team einige dieser DNA-Regionen und untersuchte die Auswirkungen der Änderungen auf die Pflanze, einschließlich eines Gens, das die Resistenz gegen Ohrwürmer reguliert.
CRISPR steht für "clustered regularly interspaced short palindromic repeats". Es handelt sich um einen natürlichen Abwehrmechanismus von Bakterien, die sich damit vor Viren schützen. Die Wissenschaftler haben dieses System für die Genbearbeitung angepasst.
Das System besteht aus zwei Schlüsselkomponenten. Die CRISPR-RNA ist ein Molekül, das das System zu der spezifischen DNA-Sequenz führt, die bearbeitet werden muss. Cas9 ist ein Enzym oder Protein, das wie eine molekulare Schere wirkt, um die DNA an der gewünschten Stelle zu schneiden.
"Variationen in diesen cis-regulatorischen Regionen waren entscheidend für die Domestizierung und Verbesserung vieler Nutzpflanzen", sagte Gallavotti. "Heute ermöglichen uns Technologien wie CRISPR-Cas9, bestimmte Merkmale zu verändern, und cis-regulatorische Regionen sind wichtige Ziele für diese Veränderungen.
Bislang bestand die Herausforderung für die Wissenschaftler darin, herauszufinden, was das Ziel ist.
"Unsere Analyse hilft dabei, diese Regionen zu kartieren und zu untersuchen, was zur Verbesserung von Pflanzenarten genutzt werden kann", so Gallavotti. "Wir hoffen, dass diese Ressource genutzt werden kann, um bestimmte Regionen für eine beliebige Eigenschaft anzusteuern. Dabei kann es sich um Stressresistenz, Resistenz gegen Schädlinge oder die Veränderung der Architektur einer Pflanze handeln."
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Originalveröffentlichung
Mary Galli, Zongliang Chen, Tara Ghandour, Amina Chaudhry, Jason Gregory, Fan Feng, Miaomiao Li, Nathaniel Schleif, Xuan Zhang, Yinxin Dong, Gaoyuan Song, Justin W. Walley, George Chuck, Clinton Whipple, Heidi F. Kaeppler, Shao-shan Carol Huang, Andrea Gallavotti; "Transcription factor binding divergence drives transcriptional and phenotypic variation in maize"; Nature Plants, Volume 11, 2025-6-12
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