Mehr Leistung durch Heterosis: IPK-Forschungsteam entschlüsselt das Zusammenspiel der Gene
Ein internationales Forschungsteam des Leibniz-Instituts für
Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) hat eine Methode
entwickelt, die erklärt, warum Kreuzungen zwischen homozygoten
Elternpflanzen - sogenannte Hybride - oft deutlich produktiver sind als
ihre Eltern. Dieses als Heterosis bekannte Phänomen ist entscheidend für
die Steigerung des Ertrags wichtiger Nutzpflanzen wie Weizen oder Mais.
Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature
Communications“ veröffentlicht.
Wenn zwei homozygote Pflanzenlinien mit unterschiedlichen Eigenschaften
gekreuzt werden, sind die Nachkommen häufig robuster und produktiver als
ihre Eltern. Dieses Phänomen wird als Heterosis bezeichnet. Es kann durch
positive Varianten von Genen verursacht werden, die gegenüber negativen
Varianten dominieren, oder durch komplexe Wechselwirkungen zwischen
zahlreichen Genen, die miteinander „kommunizieren“ und einander
beeinflussen.
Das Forschungsteam hat eine statistische Methode entwickelt, mit der diese
Wechselwirkungen zwischen den Genen schneller und genauer analysiert
werden können.
Anstatt Milliarden möglicher Genkombinationen einzeln zu testen, bewertet
die neue Methode - hQTL-ODS (Heterotic Quantitative Trait Locus - One-
Dimensional Scan) - den Beitrag jedes Gens anhand all seiner
Wechselwirkungen. In einer großangelegten Studie mit mehr als 5.000
Weizenhybriden identifizierten die Forscher relevante Loci, die am
stärksten zur Heterosis beitragen. Das Forschungsteam verwendete dabei
verschiedene mathematische Techniken, um Daten aus dem gesamten Genom
nutzen zu können.
Die Vorteile von hQTL-ODS liegen auf der Hand. „Mit herkömmlichen Methoden
hätten wir Jahre gebraucht, um dieselbe Analyse durchzuführen“, erklärt
Dr. Guoliang Li, Erstautor der Studie. „Mit unserem neuen Ansatz konnten
wir die Auswertung jedoch in nur wenigen Tagen abschließen. Es ist, als
würden wir das Genom plötzlich durch ein Teleskop statt durch eine Lupe
betrachten.“
„Wir haben festgestellt, dass Heterosis durch Gene verursacht wird, die
miteinander kommunizieren“, erklärt Guoliang Li. „Es ist wie in einem
Orchester, in dem der Dirigent seine Musiker durch Kommunikation führt.
Bei der Heterosis gibt es jedoch nicht nur einen Dirigenten, der für das
Ergebnis verantwortlich ist.“ Die Forscher konnten zeigen, dass es
letztlich viele Geninteraktionen sind, die die Heterosis bestimmen, und
nicht die Wirkung einiger weniger, dominanter Gene.
Die Methode deckt bisher verborgene genetische Muster auf. „Wir haben auch
schwache Signale erkannt, die zuvor übersehen wurden“, erklärt Guoliang
Li. „Es ist, als würde man plötzlich das gesamte Netzwerk sehen, das die
Pflanze unter der Oberfläche steuert.“ „Die Studie zeigt, wie wichtig die
Entwicklung mathematischer/statistischer Werkzeuge für das Verständnis
komplexer biologischer Mechanismen ist“, sagt Dr. Yong Jiang, Forscher in
der Arbeitsgruppe „Quantitative Genetik“ und einer der Hauptautoren der
Studie.
Das Modell bietet einen neuen Ansatz zur Entschlüsselung der genetischen
Grundlagen der Heterosis und kann künftig auch für andere Pflanzen wie
Mais oder Reis verwendet werden. Mithilfe von hQTL-ODS können Züchter bei
der Entwicklung von neuen Pflanzensorten mit einer besonders starken
Hybrideffekt unterstützt werden. Das kann Ertragssteigerungen ermöglichen
und so einen Beitrag zur Sicherung der Nahrungsmittelversorgung in Zeiten
einer wachsenden Weltbevölkerung und sich dynamisch verändernden Klima-
und Wetterbedingungen leisten.
