Nahrhafte Weizen-Genvariante bringt gepaarte Ährchen und mehr Proteine

Artikel von Fabiane Herbst am 14. Mai 2022 um 10:59 Uhr im Forum Wissenschaft & Forschung - Kategorie: Wissenschaft

Schlagworte:

Nahrhafte Weizen-Genvariante bringt gepaarte Ährchen und mehr Proteine

14. Mai 2022     Kategorie: Wissenschaft
Ein internationales Forscherteam hat neue Methoden entdeckt, Weizen von höherer Qualität zu züchten. Die Wissenschaftler der University of Adelaide und des britischen John Innes Centre haben einen genetischen Ansatz identifiziert, der die Ertragsmerkmale von Weizen verbessert, was unerwarteterweise auch zu einer Erhöhung des Proteingehalts um bis zu 25 Prozent führen kann.

neuer-weizen-genveraendert.jpg
Der Weizen auf der rechten Seite hat die zusätzlichen blütentragenden Ährchen, die künstlich rosa hervorgehoben sind, um ihre Entwicklung zu zeigen.


Auch im Hinblick auf die steigende Weltbevölkerung und des durch den Klimawandelt bestehende Ertrags-Risiko sind neue Sorten ein Ansatz um Hunger zu bekämpfen. Der höhere Proteingehalt macht den Weizen dabei Nahrhafter. Allerdings muss auch die Verträglichkeit und Verarbeitung des Weizen eine Rolle spielen um als erfolgreiche Anbausorte in frage zu kommen. Die teilweise Unverträglichkeit von neueren Getreidesorten sind bisher nicht vollständig geklärt. Auch hier gibt es Forschungsbedarf, um nicht nur Erträge zu erhöhen, sondern auch die gesundheitlichen Aspekte sowie die ökologischen: Wie der Weizen den Boden belastet oder ob er mit weniger Pflanzenschutz auskommt.



Forschunsgarbeiten am Weizen


Pflanzen- und Blütenstandsarchitektur bestimmen das Ertragspotential von Nutzpflanzen. Züchter haben sich die natürliche Vielfalt für die Blütenstandsarchitektur zunutze gemacht, um die Erträge zu verbessern, und induzierte genetische Variation könnte weitere Gewinne bringen. Weizen ist eine wichtige Protein- und Kalorienquelle; jedoch ist wenig über die Gene bekannt, die die Entwicklung seines Blütenstandes regulieren. Hier berichten wir über die Identifizierung semidominanter Allele für einen Homöodomänen-Leucin-Zipper-Transkriptionsfaktor der Klasse III, HOMEOBOX DOMAIN-2 (HB-2), auf Weizen-A- und -D-Subgenomen, die mehr blütentragende Ährchen erzeugen und den Getreideproteingehalt erhöhen. Diese Allele erhöhen die HB-2-Expression, indem sie eine microRNA 165/166-Komplementärstelle mit konservierten Rollen in Pflanzen stören; eine höhere HB-2-Expression ist mit einer modifizierten Blatt- und Gefäßentwicklung und einer erhöhten Aminosäureversorgung der Blütenstände während der Kornentwicklung verbunden. Diese Ergebnisse erweitern unser Verständnis der Gene, die die Entwicklung der Weizenblüten steuern, und führen einen Ansatz zur Verbesserung der Ernährungsqualität von Getreide ein.


Erklärung von Dr. Scott Boden


„Die von uns identifizierte genetische Variation sorgt für eine 15-25-prozentige Erhöhung des Proteingehalts von Pflanzen, die auf dem Feld angebaut werden. Diese Sorten produzieren auch zusätzliche Ährchen, die als gepaarte Ährchen bekannt sind“, sagte Dr. Boden.

„Wir haben noch keine Ertragssteigerung mit den zusätzlichen Ährchen festgestellt, doch es gibt Zuversicht das diese Eigenschaft übertragbar ist auf die ertragreichsten Elite-Sorgen der Landwirte.“

„Die Erhöhung des Proteingehalts erfolgt ohne den Kompromiss eines verringerten Ertrags, sodass diese Entdeckung ein noch größeres Potenzial hat, Züchtern und Züchtern wirtschaftliche Vorteile zu bieten, als nur der erhöhte Nährwert an sich.“


Das Forscherteam erwartet, dass die neuen Weizensorten den Züchtern in 2–3 Jahren zur Verfügung stehen werden. Nach 7–10 Jahren könnte die neue Saat dann den Landwirten zur Verfügung stehen.



ERGEBNISSE


Identifizierung einer Weizenmutantenlinie mit modifizierter Blütenstandsarchitektur
Um Gene zu identifizieren, die die Entwicklung von Weizenblütenständen regulieren, untersuchten wir eine Ethylmethansulfonat-induzierte Mutantenpopulation (cv. Cadenza) für Linien, die paarige Ährchen bilden (Abb. 1, A bis C). Diese TILLING-Population eignet sich zur Charakterisierung von Mutationen, die die Entwicklung paariger Ährchen fördern, da Cadenza zuvor in mehreren Feldversuchen als Blütenstände ohne sekundäre Ährchen identifiziert wurde.
Wir identifizierten 256 von 1752 paarige Ährchen produzierende Linien, die entweder sterile rudimentäre sekundäre Ährchen (als Klasse-I-Mutanten bezeichnet; 204 Linien; Abb. 1B, Abb. S1 und Tabelle S1) oder multiple sekundäre Ährchen mit fruchtbaren Blütchen (Klasse-II-Mutanten; 52 Zeilen, Abb. 1C, Abb. S1 und Tabelle S1).
Die Linie CAD1290 wurde als Klasse-II-Mutante identifiziert, die einen besonders starken gepaarten Ährchen-Phänotyp aufwies; sekundäre Ährchen bildeten sich bei 47 ± 5,3 % der Rachis-Knoten, und viele enthielten fruchtbare Blütchen (Abb. 1, C bis E und Abb. S1).
Die Nachkommen von zwei CAD1290-paarigen Ährchen produzierenden Pflanzen wurden unter kontrollierten Langtagbedingungen gezüchtet; Die Blütenstandsphänotypen zeigten, dass die aus dem Feld ausgewählten Individuen heterozygot für ein dominantes oder semidominantes gepaartes Ährchen förderndes Allel waren, da die Nachkommen entweder Wildtyp- oder gepaarte Ährchen produzierende Blütenstände bildeten (Abb. 1, D und E und Tabellen S2 bis S4 ).
Von den Nachkommen, die sekundäre Ährchen bildeten, bildete ungefähr ein Drittel schlecht entwickelte Blütenstände mit mehreren unfruchtbaren Blüten und gekräuselten Blättern, die nicht vollständig aus der Hülle herauskamen (Abb. 1, F und G und Abb. S1); keine Pflanzen mit Wildtyp-Blütenständen zeigten das Blattmerkmal.

MicroRNA-resistant-modify-inflorescence-branching-increase-grain-protein-wheat.jpg

Auf der Grundlage der Phänotypen der CAD1290-Nachkommen stellten wir die Hypothese auf, dass die gepaarte Ährchenentwicklung in CAD1290 durch ein semidominantes Allel untermauert wird, das Individuen, die für die kausale Mutation homozygot sind, gekräuselte Blätter verleiht.
Zur Unterstützung dieser Hypothese entwickelten Individuen der zweiten Filialgeneration, die von zwei unabhängigen CAD1290 × Cadenza-Kreuzungen abstammten, Wildtyp- oder gepaarte Ährchen produzierende Blütenstände in einem Verhältnis von 1: 3 (Chi-Quadrat-Test, P = 0,704 und 0,741). und ein Drittel der Pflanzen mit sekundären Ährchen zeigte gekräuselte Blätter (Chi-Quadrat-Test, P = 0,931 und 0,864) (Tabelle S5). Diese Segregationsverhältnisse wurden in BC2F2- und BC3F2-Populationen bestätigt (Tabellen S6 bis S8). Homozygote Mutantenpflanzen mit gekräuselten Blättern produzierten signifikant mehr paarige Ährchen als heterozygote Individuen, die normale Blätter zeigten (Abb. 1E). Auf der Grundlage dieser Ergebnisse schlussfolgern wir, dass die Entwicklung paariger Ährchen in CAD1290 durch ein einzelnes halbdominantes Mendelsches Allel kontrolliert wird, das das Kräuseln der Blätter bei homozygoten Genotypen fördert. Wir nannten das mutierte gepaarte Ährchen1 (ps1) und beziehen uns hierin auf die homozygoten und heterozygoten Mutanten-Genotypen als ps1 bzw. Ps1/ps1.
Eine weitere phänotypische Charakterisierung zeigte, dass Ps1/ps1 und ps1 genauso viele primäre Ährchen pro Blütenstand produzierten wie Wildtyp-Geschwister und dass ps1-Blütenstände signifikant kürzer waren als die von Wildtyp und Ps1/ps1 (Abb. 1E und Abb. S2).
In Übereinstimmung mit unseren früheren Studien waren sekundäre Ährchen häufiger in der Mitte des Blütenstandes sowohl für Ps1/ps1 als auch für ps1, und die fruchtbaren sekundären Ährchen jedes Genotyps enthielten ein oder zwei kornproduzierende Blüten, während rudimentäre sekundäre Ährchen keine Blütenorgane hatten ( Abb. 1H und Abb. S2) (9, 10). Entwicklungsanalysen zeigten, dass die Blütenstände von Ps1/ps1 und ps1 mit der gleichen Geschwindigkeit wuchsen wie der Wildtyp, ohne signifikante Verzögerung im Timing der Doppelkamm- oder terminalen Ährchenstadien, die den Beginn und Abschluss der Ährchenbildung definieren (Abb. 1I und Abb. S3).
Dieses Ergebnis stimmt damit überein, dass es zwischen den drei Genotypen keinen Unterschied in der Anzahl der Rachis-Knoten gibt. Die Ps1/ps1-Pflanzen blühten zur gleichen Zeit wie Wildtyp-Geschwister, was darauf hindeutet, dass die sekundäre Ährchenentwicklung bei diesen Genotypen nicht mit einer späten Blüte assoziiert ist ( 1J ). Die ps1-Mutanten blühten etwas später als der Wildtyp und die Ps1/ps1-Geschwister, höchstwahrscheinlich aufgrund des Kräuselns des Fahnenblatts, das das Auftauchen der Blütenstände einschränkte, da es keine Verzögerung der Blüte gab, wenn die Blätter manuell entrollt wurden (Abb. 1J und Abb. S2) Rasterelektronenmikroskopie von sich entwickelnden ps1- und Ps1/ps1-Infloreszenzen zeigte, dass sekundäre Ährchen im Blütchenanlagenstadium als erhabener Zellhaufen beginnen, der keine Blütenorgane enthält, und als Ährchen mit Blütchenanlagen im terminalen Ährchenstadium entstehen (Abb. 1, K bis M und Abb. S2). Die Blattkrümmung von ps1 war im Dreiblattstadium deutlich sichtbar und blieb bis zur Fahnenblattentwicklung bestehen (Abb. 1F und Abb. S2). Querschnitte der gekräuselten Blätter zeigten, dass die Mittelrippe abnormal war, mit einem Fehlen von verholztem Sklerchym auf der abaxialen Seite der Blattspreite (Abb. 1, N und O). Der Blattphänotyp wurde während der frühen Entwicklung initiiert, wobei unreife Blätter, die den sich entwickelnden Blütenstand umgeben, abnormale Mittelrippen aufweisen (Abb. S2).



Randnotiz
Gerade die aktuellen schlechten Nachrichten von Getreideknappheit durch den russischen Angriffskrieg in der Ukraine und die steigenden Weizenpreise durch das Ausfuhrverbot russischer Ernten (Hunger als Waffe), lassen das Thema Getreideforschung wieder aufblühen.



Inhalt aus Übersetzung der Quelle: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5907
 

Kommentare

#3 15. Mai 2022
Zuletzt bearbeitet: 15. Mai 2022
In Europa kommt das eh nicht zum Einsatz, solch Gen-Weizen ist in der EU so nicht zugelassen. Gibt viele Regelungen und Kennzeichnungspflichten für GVO, zumindest in der EU. In dritte Welt Ländern wie Russland wird GVO-Getreide angebaut was ertrag bringt und billig ist, deshalb gibt es da die Ausnahmen im GVO-Verbot. Russischer Weizen entspricht auch nicht der EU Qualität, ist alles für Afrika/Nahosten (sofern sie Exportieren, oder es als Waffe/Erpressung nutzen).

Ist für Afrika/Asien oder Länder mit Hunger und Ernährungsmangel, in denen die Anbauflächen und Wasser begrenzt sind. Aber bis die Saat fertig entwickelt ist, sind schon weitere zehntausend Verhungert.

Im Jahr 2022 gibt es nur einen genehmigten Freilandversuch mit Gen-Weizen in der EU in Schweden, eine Sorte mit höherem Ölgehalt.

Sind allerdings alles nur Forschungsversuche, Deutschlands Felder sind quasi Gentechnik frei.
 
#4 16. Mai 2022
Also ich würde das auch nicht Essen wollen ohne da ausreichende Studien zu haben wie das ganze sich auf die Umwelt auswirkt. Also jetzt nicht weil ich es im Körper aufnehme (da hab ich keine bedenken, da rein Biologisch/Chemisch nichts anders passiert als bei allem Essen) sondern was passiert wenn sich die Pflanzen mit Wildpflanzen ungewollt kreuzen oder wie das auf Insekten wirkt etc.

In USA ist es auf der Verpackung gekennzeichnet. Aber finde die Forschung dazu trotzdem gut, im Notfall hilft es halt. Ich denke da auch an den Klimawandel, wenn es immer heißer, trockner oder feuchter wird, so schnell können Pflanzen (und Tiere) sich nicht anpassen...

Das Great Barrier Reef stirbt aus wegen der hohen Wassertemperaturen, da forschen Wissenschaftler auch an neuen Genveränderten Korallen, die höhere Temperaturen aushalten. Weil ohne Korallen sterben auch tausende von Tierarten aus, was leider aktuell schon passiert - und was einmal weg ist - kommt nicht mehr.

Ich sehe Genveränderungen dann kritisch, wenn es nur darum geht Erträge zu erhöhen oder wirtschaftlicher zu werden. Wenn es aber ein Übel (Artensterben, Hunger, Krankheit) verhindern kann, gleicht der Nutzen für mich das Risiko aus. Aber wie wir wissen, es kann auch schief gehen.
In Australien hat man diverse Tiere angesiedelt um Schädlinge zu bekämpfen und hatte danach eine neue Plage... Deshalb sollte man alles schon genauer und sicher prüfen.