Bonn, Germany
December 3, 2012
Hybrid plants provide much higher yield than their homozygous parents. Plant breeders have known this for more than 100 years and used this effect called heterosis for richer harvests. Until now, science has puzzled over the molecular processes underlying this phenomenon. Researchers at the University of Bonn and partners from Tübingen and the USA have now decoded one possible mechanism in corn roots. More genes are active in hybrid plants than in their homozygous parents. This might increase growth and yield of the corn plants. The results are published in the renowned scientific journal Genome Research.
The world population continues to grow and needs to be fed. Cereals provide more than 70 per cent of human nutritional energy. Their yield increases significantly when plant breeders make use of the heterosis effect: “Heterozygous hybrids are significantly more vigorous than homozygous varieties” says Prof. Dr. Frank Hochholdinger, chair of Crop Functional Genomics at the University of Bonn. Heterosis can double the yield of grains like corn or rye. Hence, a hybrid corn cob is usually much larger than that of a homozygous plant.
Molecular causes elusive
Homozygous plants are a result of inbreeding depression: yield shrinks with every generation. Hence, most of the corn grown in Europe and the USA are hybrids. But why are hybrid plants more efficient than their homozygous relatives? “This effect has been known for over 100 years, yet its molecular cause remained unknown until now” reports first author Dr. Anja Paschold, associate of Prof. Hochholdinger at the Institute for Crop Science and Resource Conservation. The findings of the research team now support at a molecular level the complementation model hypothesized in 1917, which suggests that beneficial heritable characters from both parental lines complement deleterious or absent characters in the hybrid plant.
Transcripts indicate the status of gene activity
Researchers at the University of Bonn and their colleagues at Iowa State University and the Max Planck Institute for Developmental Biology in Tübingen compared gene activity in roots of young homozygous and hybrid corn plants. Transcripts provide the blueprints for important proteins. If a certain protein is required, a copy of the corresponding gene is made from the DNA in the nucleus of the cell. This copy of the gene – a ‘transcript’ – is used as a blueprint for producing the relevant protein. “Transcripts are present whenever the corresponding gene is active,” explains Prof. Hochholdinger. Researchers are now surveying all transcripts present in the cell to know which genes are active.
Researchers doing detective work
“Our methods are similar to those of a crime scene investigator. We try matching transcripts – the ‘fingerprints’ – to the corresponding genes – the criminal records” says Prof. Hochholdinger. If a fingerprint is found, then it proves that the corresponding gene is active. “It's just like a fingerprint found at a crime scene,” the biologist explains, “The investigators then know which individual must have been active on the scene.” High-throughput automatic sequencing machines at the Max Planck Institute for Developmental Biology in Tübingen helped to identify the gene transcripts. “Of the 39,656 known corn genes, close to 90% were active in the studied plants,” reports Dr. Paschold.
A few hundred additional genes are active in hybrid plants
However, it has been demonstrated that in hybrids several hundred additional genes were active compared to the homozygous parental lines. The same number of genes is inherited from the two parental plants, however, their activity can differ in the mother and father plant. In hybrids, these different activities are combined. “Compared to the approximately 34,000 active genes the number of 350 to 750 genes that are additionally activated in hybrids is relatively small” says Prof. Hochholdinger, “And yet the small genetic contribution of each of these gene could significantly increase growth and vigor of hybrids.”
Practical benefit for plant breeders
Researchers now want to find out more about the advantages that additional gene activity in hybrids could provide. These findings might provide practical benefits in the future. Until now, plant breeders use extensive field trials to find out which combinations of the thousands of various corn varieties result in efficient hybrids. “Our findings could result in a preselection that could reduce breeders' efforts and expenses,” says Prof. Hochholdinger.
Publication: Complementation contributes to transcriptome complexity in maize (Zea mays L.) hybrids relative to their inbred parents, Genome Research, DOI: 10.1101/gr.138461.112
Podcast:
http://www.uni-bonn.tv/podcasts/20120802_ST_Hochholdinger.mp4/view
Mais: Viele aktive Gene – hohe Erträge
Forscher der Universität Bonn finden einen Ansatz zur Lösung eines alten Rätsels der Pflanzenzüchtung
Hybrid-Pflanzen bringen deutlich höhere Erträge als reinerbige Sorten. Das wissen Pflanzenzüchter seit rund 100 Jahren und nutzen diesen als „Heterosis“ bezeichneten Effekt für reiche Ernten. Bislang rätselte die Wissenschaft darüber, welche molekularen Prozesse hinter diesem Phänomen stecken. Forscher der Universität Bonn haben nun mit Kollegen aus den USA und Tübingen an Maiswurzeln einen möglichen Mechanismus entschlüsselt. In den Mischlingspflanzen sind mehr Gene aktiv als in reinerbigen Sorten. Dies könnte Wachstum und Erträge der Maispflanzen steigern. Die Ergebnisse hat nun die renommierte Fachzeitschrift „Genome Research“ veröffentlicht.
Die Weltbevölkerung wächst immer weiter und muss ernährt werden. Dabei spielen Getreide eine wichtige Rolle, weil sie mehr als 70 Prozent der Nahrungsenergie für die Menschen bereitstellen. Ihre Erträge lassen sich deutlich steigern, wenn Pflanzenzüchter den Heterosis-Effekt nutzen: „Mischlinge – auch Hybride genannt – sind deutlich leistungsfähiger als die reinerbigen Sorten“, sagt Prof. Dr. Frank Hochholdinger, Inhaber des Lehrstuhls für funktionelle Genomik der Nutzpflanzen an der Universität Bonn. Bei Getreidearten wie Mais oder Roggen kann der Heterosis-Effekt sogar zu einer Verdopplung des Ertrags führen. So ist ein Maiskolben einer Hybridpflanze häufig viel größer als der einer reinerbigen Pflanze.
Molekulare Ursachen lagen im Dunkeln
Bei der Herstellung reinerbiger Linien sinken die Erträge von Generation zu Generation in Folge der sogenannten Inzuchtdepression. Deshalb sind die meisten Getreidesorten in Europa und den USA inzwischen Hybride. Warum sind aber die Mischlingspflanzen leistungsfähiger als ihre reinerbigen Verwandten? „Seit mehr als 100 Jahren ist dieser Effekt bekannt – die molekularen Ursachen blieben bis jetzt aber im Dunkeln“, berichtet Erstautorin Dr. Anja Paschold, Mitarbeiterin von Prof. Hochholdinger am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz. Die Ergebnisse des Forscherteams liefern nun auf molekularbiologischer Ebene Argumente für die bereits 1917 formulierte Komplementationshypothese, nach der sich die vorteilhaften Komponenten des Erbguts der beiden reinerbigen Eltern in Mischlingen gegenseitig ergänzen.
Abschriften zeigen, wie aktiv ein Gen ist
Die Forscher der Universität Bonn verglichen mit ihren Kollegen der Iowa State University und des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie Tübingen in den Wurzeln von jungen Maispflanzen aus reinerbigen und mischerbigen Pflanzen die Genaktivität. Die Gene codieren die Baupläne für wichtige Proteine (Eiweiße). Braucht die Pflanze ein bestimmtes Protein, wird von der DNA im Zellkern eine Abschrift des zugehörigen Gens erstellt. Diese Gen-Kopie – ein sogenanntes Transkript – wird von der Zelle zur Produktion des betreffenden Eiweißes verwendet. „Es ist immer dann ein Transkript vorhanden, wenn das entsprechende Gen aktiv ist“, erläutert Prof. Hochholdinger das Prinzip. Die Forscher suchten nun gezielt danach, von welchen Genen eine solche Abschrift vorlag.
Forscher arbeiteten mit kriminalistischen Methoden
„Unsere Arbeitsweise ähnelt der von Kriminalisten, die versuchen Fingerabdrücke - die Transkripte - einer Verbrecherkartei - den bekannten Genen - zuzuordnen“, schildert Prof. Hochholdinger. Wird ein Fingerabdruck gefunden, ist das der Beweis, dass das zugehörige Gen in der Maiswurzel aktiv ist. „Das verhält sich wie mit den Fingerabdrücken, die die Polizei am Tatort findet“, erläutert der Biologe. „Die Fahnder wissen dann auch, welcher Täter hier aktiv gewesen sein muss.“ Bei der Suche nach den Gen-Abschriften halfen Hochdurchsatz-Sequenzierautomaten am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen. „Von den insgesamt 39.656 bekannten Mais-Genen waren sowohl bei den reinerbigen als auch bei den mischerbigen Pflanzen fast 90 Prozent aktiv“, berichtet Dr. Paschold.
In den Hybriden sind zusätzlich einige hundert Gene aktiv
Es zeigte sich jedoch, dass in den Hybriden noch einige hundert Gene zusätzlich angeschaltet waren. Bei der Vererbung werden immer gleichermaßen Anteile von Vater und Mutter weitergegeben, die jedoch sehr unterschiedlich ausgeprägt sein können. In den Mischlingen kommen diese verschiedenen Anlagen zusammen und werden dann gemeinsam aktiv. „Es handelt sich bei den etwa 350 bis 750 zusätzlich aktiven Genen im Vergleich zu den etwa 34.000 aktiven Genen um eine vergleichsweise geringe Zahl“, sagt Prof. Hochholdinger. „Dennoch könnte der individuell vermutlich sehr geringe Beitrag jedes dieser Gene in Summe für den Wachstumsschub bei den Hybriden sorgen.“
Großer praktischer Nutzen für die Pflanzenzüchtung
Die Forscher wollen nun mehr darüber herausfinden, welchen Vorteil die zusätzliche Genaktivität den Hybriden bringt. Die Erkenntnisse des Forscherteams haben absehbar einen großen praktischen Nutzen. Bislang können Pflanzenzüchter nur aufwändig herausfinden, welche der unzähligen Kombinationen der tausenden verschiedenen Maislinien Hybride mit hoher Leistungsfähigkeit hervorbringen. „Unsere Erkenntnisse könnten dazu beitragen, eine Vorauswahl zu treffen und damit den Züchtungsaufwand geringer zu halten“, sagt Prof. Hochholdinger.
Publikation: Complementation contributes to transcriptome complexity in maize (Zea mays L.) hybrids relative to their inbred parents, Genome Research, DOI: 10.1101/gr.138461.112
Podcast zum Thema:
http://www.uni-bonn.tv/podcasts/20120802_ST_Hochholdinger.mp4/view
Topics
Species
