Zurich, Switzerland
June 8, 2020
Producing fewer sperm cells can be advantageous in self-fertilizing plants. An international study led by the University of Zurich has identified a gene in the model plant Arabidopsis that reduces the number of pollen. In addition to supporting the evolutionary theory, these findings could help to optimize plant breeding and domestication in agriculture.
The plant species Arabidopsis thaliana is used as a model organism in research all over the world. (Image: Misako Yamazaki)
Already in the 19th century Charles Darwin recognized that the number of male gametes – pollen for plants, sperm for animals – is highly variable among individuals and species. At first sight a high number of male gametes seems beneficial for the competition among males to produce more offspring. However, many domesticated species have a reduced number of male gametes. In theory it might be advantageous to reduce the cost of producing male gametes, for example when the rate of self-fertilization or inbreeding is high and fewer male gametes are necessary for successful reproduction.
Genome analysis of self-fertilizing plant
"So far there has been little evidence to support this idea, because the production of male gametes is a complex trait affected by many genes with small effects and its molecular basis remained unknown," says Kentaro Shimizu, professor of evolutionary biology and environmental studies at the University of Zurich (UZH). An international study under his lead now provides such evidence and demonstrates that a reduction in pollen number is not necessarily deleterious but rather advantageous in a self-fertilizing species.
For their investigation the researchers used the well-characterized model plant Arabidopsis thaliana that is mainly self-fertilizing and has a reduced number of pollen grains compared to its relatives in the wild. They counted the pollen number of 144 plants with distinct genetic background and found variations from 2,000 to 8,000 pollen grains per flower. They then compared the entire genetic information of these variants, looking for differences between plants with higher and lower pollen numbers.
Matured anthers of Arabidopsis thaliana: Compared to the wild type (left), the rdp1 mutant (right) contains only half of the pollen grains (in magenta). (Image: Hiroyuki Kakui)
RDP1 gene controls pollen production
This computational analysis, a so-called genome-wide association study, revealed one gene that affects the number of pollen each plant produces, which was subsequently named REDUCED POLLEN NUMBER1 (RDP1) gene. Using the novel genome editing technology CRISPR-Cas9 the researchers created several mutant variants of the RDP1 gene, both in plants with high and low pollen number. They crossed the mutated plants with each other and counted the pollen the hybrid offspring produced. "These experiments confirmed the subtle but significant effect of the RDP1 gene," says co-author Misako Yamazaki, a member of the technical staff of the Shimizu group. A comparison with other organisms revealed that the gene encodes a factor that promotes the building of ribosomes, the cellular factories for protein production.
Less pollen confers higher fitness
Next, the team investigated if the reduction in pollen number is positively selected for and did not happen incidentally. For this they used a statistical method to gain insight into the evolution of the RDP1 gene within model plants with different pollen production. The results showed that the trait for reduced pollen number has indeed been under positive selection.
Furthermore, the research team studied the evolution of the many genomic regions associated with pollen number. The selection on pollen number was very strong – in comparison to previous studies of more than 100 traits such as disease-resistance and environmental responses. This supports the importance of pollen number for reproductive success.
Optimizing fertilization in agriculture
"The evidence supports the theoretical prediction that reduced investment in male gametes is advantageous. This is not only important for evolutionary biology but also for the practice of plant breeding and domestication in general," explains Shimizu. "Many crop plants have a reduced number of pollen due to domestication. Lowering the cost of producing pollen may increase crop yield. On the other hand, too few pollen grains might be an obstacle to breeding and seed production. Our study opens the way for molecular breeding of the optimal pollen number."
Literature:
Takashi Tsuchimatsu, Hiroyuki Kakui, Misako Yamazaki, Cindy Marona, Hiroki Tsutsui, Afif Hedhly, Dazhe Meng, Yutaka Sato, Thomas Städler, Ueli Grossniklaus, Masahiro M. Kanaoka, Michael Lenhard, Magnus Nordborg and Kentaro K. Shimizu. Adaptive reduction of male gamete number in the selfing plant Arabidopsis thaliana. Nature Communications. 8 June 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-16679-7
Funding
The study was supported by the Swiss National Science Foundation, the University Research Priority Program "Evolution in Action: From Genomes Ecosystems" of the UZH and the Japan Science and Technology Agency.
Neu identifiziertes Gen reduziert Pollenzahl von Pflanzen
Für selbstbefruchtende Pflanzen kann es vorteilhaft sein, weniger Samenzellen zu produzieren. Eine internationale Studie unter der Leitung der Universität Zürich hat in der Modellpflanze Arabidopsis ein Gen identifiziert, das die Pollenzahl reduziert. Die Ergebnisse unterstützen die Evolutionstheorie und könnten dazu beitragen, die Pflanzenzüchtung und Domestizierung in der Landwirtschaft zu optimieren.
Bereits im 19. Jahrhundert erkannte Charles Darwin, dass die Zahl der männlichen Keimzellen – Pollen bei Pflanzen, Spermien bei Tieren – stark zwischen Individuen und Arten variiert. Auf den ersten Blick erscheint eine grosse Anzahl an männlichen Keimzellen vorteilhaft für Männchen beim Wettbewerb, möglichst viele Nachkommen zu produzieren. Trotzdem haben viele domestizierte Arten eine verminderte Anzahl an männlichen Keimzellen. Theoretisch könnte es Vorteile bringen, den Aufwand für die Produktion männlicher Keimzellen niedrig zu halten – beispielsweise, wenn weniger Keimzellen für eine erfolgreiche Fortpflanzung nötig sind, weil die Rate an Selbstbefruchtung oder Inzucht hoch ist.
Analyse des Erbguts bei Selbstbefruchtung
«Bisher gab es nur wenig Beweise für diese Idee, da die Produktion männlicher Keimzellen ein komplexes Merkmal ist. Es wird von vielen Genen mit jeweils kleinen Effekten beeinflusst und die molekulare Grundlage war nicht bekannt», sagt Kentaro Shimizu, Professor für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften an der Universität Zürich (UZH). Eine internationale Studie unter seiner Leitung liefert nun einen solchen Beweis. Sie hat gezeigt, dass eine Verringerung der Pollenzahl bei einer Art, die sich selbst befruchtet, nicht unbedingt schädlich, sondern eher vorteilhaft ist.
Für ihre Untersuchung verwendeten die Forschenden die gut charakterisierte Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die sich hauptsächlich selbst befruchtet und im Vergleich zu ihren Verwandten in der freien Natur eine geringere Anzahl an Pollen aufweist. Sie zählten die Pollen von 144 Einzelpflanzen, die sich genetisch leicht unterscheiden, und fanden Unterschiede von 2'000 bis 8'000 Pollen pro Blüte. Dann verglichen sie die gesamte genetische Information aller Pflanzenindividuen und suchten nach Unterschieden zwischen Pflanzen mit höheren und niedrigeren Pollenzahlen.
RDP1-Gen steuert Pollenproduktion
Diese Computeranalyse, eine so genannte genomweite Assoziationsstudie, führte zur Identifizierung eines Gens, das die Zahl der Pollen beeinflusst, die jede Pflanze produziert. Die Forschenden gaben dem Gen anschliessend den Namen Reduced Pollen Number1 (RDP1). Mit Hilfe der neuartigen CRISPR-Cas9 Technology zum Editieren von Genen erzeugten die Forschenden dann mehrere mutierte Varianten des RDP1-Gens, sowohl in Pflanzen mit hoher als auch mit niedriger Anzahl an Pollen. Sie kreuzten die mutierten Pflanzen miteinander und zählten die Pollen, die die gemischten Nachkommen produzierten. «Diese Experimente bestätigten den subtilen, aber signifikanten Effekt des RDP1-Gens», sagt Co-Autorin Misako Yamazaki, technische Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe von Shimizu. Ein Vergleich mit anderen Organismen ergab, dass das Gen für einen Faktor kodiert, der den Aufbau von Ribosomen – den zellulären Fabriken für die Proteinherstellung – begünstigt.
Weniger Pollen, höhere Fitness
Als nächstes untersuchte das Team, ob die verminderte Anzahl an Pollen tatsächlich das Resultat einer positiven Selektion ist und nicht nur durch Zufall auftritt. Hierfür verwendeten sie eine statistische Methode, um einen Einblick in die Evolution des RDP1-Gens innerhalb von Modellpflanzen mit unterschiedlicher Pollenproduktion zu erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass das Merkmal für die reduzierte Pollenzahl tatsächlich positiv selektiert wird.
Darüber hinaus untersuchte das Forschungsteam die Evolution der vielen Regionen im Erbgut, die mit der Anzahl an Pollen assoziiert sind. Die Selektion auf die Pollenzahl war sehr stark – verglichen mit mehr als 100 Merkmalen wie Krankheitsresistenz und Umweltreaktionen, die in früheren Studien ermittelt wurden. Dies unterstreicht die Bedeutung der Pollenzahl für den Erfolg bei der Fortpflanzung.
Optimierte Befruchtung in der Landwirtschaft
«Die Erkenntnisse unterstützen die theoretische Vorhersage, dass eine geringere Investition in männliche Keimzellen von Vorteil ist. Dies ist nicht nur wichtig für die Evolutionsbiologie, sondern auch allgemein für die praktische Anwendung in der Pflanzenzucht und im Anbau», erklärt Shimizu. «Viele Nutzpflanzen haben aufgrund der Domestizierung eine reduzierte Anzahl von Pollen. Eine Senkung der Kosten für die Produktion von Pollen könnte den Ernteertrag steigern. Andererseits könnten zu wenige Pollenkörner aber auch die Züchtung und Saatgutherstellung behindern. Unsere Studie öffnet den Weg für die molekulare Züchtung der optimalen Zahl an Pollen».
Literatur:
Takashi Tsuchimatsu, Hiroyuki Kakui, Misako Yamazaki, Cindy Marona, Hiroki Tsutsui, Afif Hedhly, Dazhe Meng, Yutaka Sato, Thomas Städler, Ueli Grossniklaus, Masahiro M. Kanaoka, Michael Lenhard, Magnus Nordborg and Kentaro K. Shimizu. Adaptive reduction of male gamete number in the selfing plant Arabidopsis thaliana. Nature Communications. 8 June 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-16679-7
Finanzierung
Die Studie wurde unterstützt vom Schweizerischen Nationalfonds, vom Universitären Forschungsschwerpunkt «Evolution in Aktion: Vom Genom zum Ökosystem» der UZH und der Japanischen Agentur für Wissenschaft und Technologie.
Topics
Species
