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Rare barley mutation with potential - Universities of Bonn and Bologna decipher cause of roots growing straight downwards
Seltene Gersten-Mutation mit Potenzial - Universitäten Bonn und Bologna entschlüsseln Ursache für kerzengerade nach unten wachsende Wurzeln


Bonn, Germany
August 27, 2021

The importance of the root system for agricultural yields is often underestimated. Whether roots can access water and nutrients effectively also determines the resilience of important crops to drought and climate change. Researchers from the Universities of Bonn and Bologna (Italy) have discovered and described a mutant in barley: Its roots grow downwards much more sharply than usual. This discovery potentially provides a starting point for breeding more drought-resistant varieties. The study has now been published in PNAS.
 

Seven-day-old barley roots of mutant egt2:Seven-day-old barley roots of mutant egt2: - It grows strictly downwards (hypergravitropic). © Photo: Gwendolyn Kirschner
 

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Barley is one of the most important cereals. Its uses range from brewing beer to groats, pearl barley, barley flakes and barley flour. Researchers led by Prof. Dr. Silvio Salvi of the University of Bologna discovered an unusual mutant of barley some time ago: Its roots do not spread sideways as they normally do, but grow straight down. The researchers termed this mutant "hypergravitropic", meaning that it follows gravity much more strongly than its conspecifics. The teams led by Prof. Dr. Frank Hochholdinger from the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) at the University of Bonn and Prof. Salvi, together with other colleagues, investigated the underlying causes.

The researchers compared the genome of the mutant with barley plants growing normally. They discovered a mutation on chromosome number five, which they named "enhanced gravitropism 2" (egt2), meaning "enhanced orientation to gravity". The "2" indicates that the team is also working on another study on a similar mutation (egt1). The researchers demonstrated that egt2 is indeed responsible for the vertical growth of the roots by artificially creating such a mutation in normal barley plants using the CRISPR/Cas9 gene scissors. "The result shows a similar appearance of the roots," reports lead author Dr. Gwendolyn K. Kirschner of the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) at the University of Bonn. "This allowed us to prove that we had identified the right gene."

Roots in the MRI scanner

The researchers grew the small barley plants in germination paper or soil and recorded the root angles using a scanner and special software. They also used resources from Forschungszentrum Jülich: There, the barley was grown in special "flower pots" that fit inside an MRI scanner. Using the magnetic resonance imaging technique, the researchers "looked through" the soil and recorded the growth of the roots in this way.

Plants with the egt2 mutation are far more sensitive to the influence of gravity than normal specimens. The researchers demonstrated this by placing the roots of the barley seedlings at a 90-degree angle to the direction of gravity. "This caused the roots of the mutants to grow significantly more in the direction of gravity than the comparative specimens without this mutation," says Dr. Kirschner.

Mutation is rare

The mutation does not occur frequently. "Many mutants have shorter or missing roots," says Hochholdinger. "But mutations with different root angles are a relatively rare find." In collaboration with researchers from the John Innes Centre in Norwich (UK), the team was able to demonstrate that a very similar mutant also exists in wheat plants. "This shows that the gene is evolutionarily conserved," Hochholdinger reports. This means that this gene plays a significant role not only in barley, but also in other important cereals. Hochholdinger: "So it's worth taking a closer look."

According to the researchers, the discovery of the mutation offers a potential starting point for breeding new varieties. "Steeper roots are advantageous when it comes to tapping into water resources and mobile nutrients at greater depths," explains Hochholdinger. Conversely, a root system that grows in width penetrates a larger volume of soil and can therefore access nutrients over a larger area and gives the plants better stability. Which root system offers the better conditions for good yields therefore depends on the individual location. In drier regions, this could be steeper roots and in more nutrient-poor areas, it could be the shallower splayed ones.

Starting point for breeding drought-adapted varieties

"Roots have been largely neglected in breeding so far," Hochholdinger says. But with increased droughts as a result of climate change, the architecture of the root system could be of great importance in the future. Then the mutant with vertical roots could play a role in producing varieties adapted to climate change. The researchers have not yet been able to decipher the exact molecular function of the gene. However, currently the researchers at the University of Bonn are investigating in which signaling pathways the EGT2 protein is involved in.

Participating institutions and funding:

In addition to the Universities of Bonn and Bologna, the study involved the Universities of Giessen and Cologne, the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research in Gatersleben, Forschungszentrum Jülich, Crop Bioninformatics at INRES and the John Innes Centre Norwich. The project was funded primarily by the German Research Foundation (DFG).

Publication: Gwendolyn K. Kirschner, Serena Rosignoli, Li Guo, Isaia Vardanega, Jafargholi Imani, Janine Altmüller, Sara G. Milner, Raffaela Balzano, Kerstin A. Nagel, Daniel Pflugfelder, Cristian Forestan, Riccardo Bovina, Robert Koller, Tyll G. Stöcker, Martin Mascher, James Simmonds, Cristobal Uauy, Heiko Schoof, Roberto Tuberosa, Silvio Salvi, and Frank Hochholdinger: ENHANCED GRAVITROPISM 2 encodes a STERILE ALPHA MOTIF-containing protein that controls root growth angle in barley and wheat, PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2101526118


 

Seltene Gersten-Mutation mit Potenzial

Universitäten Bonn und Bologna entschlüsseln Ursache für kerzengerade nach unten wachsende Wurzeln

Wie wichtig das Wurzelsystem für die Höhe landwirtschaftlicher Erträge ist, wird häufig unterschätzt. Ob Wurzeln effektiv an Wasser und Nährstoffe herankommen, entscheidet auch darüber, wie widerstandsfähig wichtige Kulturpflanzen gegenüber Dürre und Klimawandel sind. Forschende der Universitäten Bonn und Bologna (Italien) haben eine Mutante in Gerste entdeckt und beschrieben: Ihre Wurzeln wachsen deutlich steiler nach unten als normalerweise. Diese Entdeckung bietet potenziell einen Ansatzpunkt für die Züchtung dürreresistenterer Sorten. Die Studie ist nun in PNAS erschienen.

Gerste gehört zu den wichtigsten Getreidearten. Ihre Nutzung reicht vom Bierbrauen über Grütze, Graupen und Gerstenflocken bis hin zum Gerstenmehl. Wissenschaftler um Prof. Dr. Silvio Salvi von der Universität Bologna entdeckten vor einiger Zeit eine ungewöhnliche Mutante von Gerste: Ihre Wurzeln spreizen sich nicht zur Seite wie normalerweise, sondern sie wachsen kerzengerade nach unten. Die Wissenschaftler nannten diese Mutante “hypergravitrop” – also viel stärker der Schwerkraft folgend als ihre Artgenossen. Die Teams um Prof. Dr. Frank Hochholdinger vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn und um Prof. Salvi erforschten gemeinsam mit weiteren Kollegen, welche Ursachen dahinter stecken.

Die Forschenden verglichen das Genom der Mutante mit normalwachsenden Gerstenpflanzen. Dabei entdeckten sie auf dem Chromosom Nummer fünf eine Mutation, die sie “enhanced gravitropism 2” (egt2) tauften, was soviel wie “verstärkt auf die Schwerkraft ausgerichtet” bedeutet. Die “2” deutet darauf hin, dass das Team eine weitere Studie zu einer ähnlichen Mutation (egt1) in Bearbeitung hat. Dass egt2 tatsächlich für die steil nach unten wachsenden Wurzeln verantwortlich ist, bewiesen die Wissenschaftler, indem sie bei normal ausgeprägten Gerstenpflanzen mit der Genschere CRISPR/Cas9 künstlich eine solche Mutation erzeugten. “Das Ergebnis zeigt ein ähnliches Erscheinungsbild der Wurzeln”, berichtet Erstautorin Dr. Gwendolyn K. Kirschner vom INRES der Universität Bonn. “Damit konnten wir nachweisen, dass wir das richtige Gen identifiziert haben.”

Wurzeln im Kernspintomographen

Die Wissenschaftler zogen die kleinen Gerstenpflanzen in Keimpapier oder Erde an und erfassten die Wurzelwinkel mit einem Scanner und einer speziellen Software. Darüber hinaus nutzten sie Ressourcen des Forschungszentrums Jülich: Dort wuchs die Gerste in speziellen “Blumentöpfen”, die in einen Kernspintomographen passen. Mit dem bildgebenden Verfahren “durchleuchteten” die Wissenschaftler die Erde und erfassten auf diese Weise das Wachstum der Wurzeln.

Pflanzen mit der egt2-Mutation reagieren weitaus sensibler auf den Einfluss der Schwerkraft als normale Exemplare. Dies zeigten die Wissenschaftler, indem sie die Wurzeln der Gerstenkeimlinge um 90 Grad zur Richtung der Schwerkraft gedreht platzierten. “Daraufhin wuchsen die Wurzeln der Mutanten deutlich stärker in Richtung der Schwerkraft als die Vergleichsexemplare ohne diese Mutation”, sagt Dr. Kirschner.

Mutation ist selten

Die Mutation kommt nicht häufig vor. “Viele Mutanten haben kürzere oder fehlende Wurzeln”, sagt Hochholdinger. “Aber Mutationen, die zu unterschiedlichen Wurzelwinkeln führen, sind relativ selten zu finden.” Mit Wissenschaftlern des John Innes Centre in Norwich (Großbritannien) konnte das Team nachweisen, dass es eine ganz ähnliche Mutante auch bei Weizenpflanzen gibt. “Dies zeigt, dass das Gen evolutionär konserviert ist”, berichtet Hochholdinger. Das bedeutet, dass dieses Gen nicht nur bei der Gerste eine bedeutende Rolle spielt, sondern auch bei anderen wichtigen Getreiden. Hochholdinger: “Also lohnt sich ein genauer Blick.”

Die Entdeckung der Mutation bietet nach Ansicht der Wissenschaftler einen potenziellen Ansatzpunkt für neue Züchtungen. “Steilere Wurzeln sind von Vorteil, wenn es darum geht, Wasservorkommen und mobile Nährstoffe in größerer Tiefe anzuzapfen”, sagt Hochholdinger. Andererseits durchdringe ein in die Breite wachsendes Wurzelsystem ein größeres Erdvolumen und könne deshalb großräumiger Nährstoffe erschließen und vermittelt den Pflanzen eine bessere Standfestigkeit. Es hänge deshalb vom jeweiligen Standort ab, welches Wurzelsystem die besseren Voraussetzungen für gute Erträge bietet. In trockneren Regionen könnten dies eher steile Wurzeln und in nährstoffärmeren Gegenden eher die flacher abgespreizten sein.

Ansatzpunkt für Züchtung dürreangepasster Sorten

“Wurzeln sind bisher in der Züchtung weitgehend vernachlässigt”, sagt Hochholdinger. Aber durch vermehrte Dürreperioden in Folge des Klimawandels könnte die Architektur des Wurzelsystems in Zukunft von großer Bedeutung sein. Dann könnte die Mutante mit den senkrechten Wurzeln eine Rolle bei der Erzeugung von an den Klimawandel angepasste Sorten spielen. Die genaue molekulare Funktion des Gens konnten die Forschenden noch nicht entschlüsseln. Welche Signalwege die Mutante in den Gerstenpflanzen beeinflusst, wollen die Wissenschaftler der Universität Bonn jedoch in der noch laufenden Studie untersuchen.

Beteiligte Institutionen und Förderung:

Über die Universitäten Bonn und Bologna hinaus sind an der Studie die Universitäten Gießen und Köln, das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben, das Forschungszentrum Jülich, die Nutzpflanzen-Bioninformatik am INRES und das John Innes Centre Norwich beteiligt. Gefördert wurde das Projekt überwiegend aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Publikation: Gwendolyn K. Kirschner, Serena Rosignoli, Li Guo, Isaia Vardanega, Jafargholi Imani, Janine Altmüller, Sara G. Milner, Raffaela Balzano, Kerstin A. Nagel, Daniel Pflugfelder, Cristian Forestan, Riccardo Bovina, Robert Koller, Tyll G. Stöcker, Martin Mascher, James Simmonds, Cristobal Uauy, Heiko Schoof, Roberto Tuberosa, Silvio Salvi, and Frank Hochholdinger: ENHANCED GRAVITROPISM 2 encodes a STERILE ALPHA MOTIF-containing protein that controls root growth angle in barley and wheat, PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2101526118

 

 



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Published: August 27, 2021


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