Genschalter für Anpassungsfähigkeit

Regulatorische DNA-Abschnitte sind entscheidend für die Entwicklung klimaresilienter Pflanzensorten

Auf den Punkt gebracht

• Regulatorische DNA: Ein internationales Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, um regulatorische DNA-Regionen zu kartieren, die das Wachstum und die Anpassung von Pflanzen beeinflussen. Diese Regionen sind entscheidend für die Entwicklung klimaresilienter Sorten.
• Genomische Variation: Bei der Analyse von Mais-Hybriden wurden über 200.000 regulatorische Regionen identifiziert, die wichtige Merkmale wie Wuchshöhe und Trockenresilienz beeinflussen. Diese Variationen erklären einen großen Teil der erblichen Unterschiede in Pflanzenmerkmalen.
• Zielgerichtete Züchtung: Der neu entwickelte Ansatz bietet Züchtern präzise Zielstrukturen, um die Genexpression in bislang übersehenen Bereichen zu optimieren. Dies könnte die Züchtung klimaangepasster Sorten beschleunigen.

Natürliche genetische Variation treibt Biodiversität und Evolution an – aber die Züchtung klimaangepasster Kulturpflanzen kann nicht auf evolutionäre Zeiträume warten, die Jahrtausende benötigen. Um die globale Ernährungssicherheit zu gewährleisten, müssen Forschende jetzt dringend DNA‑Varianten identifizieren, die unter Stressbedingungen die Leistungsfähigkeit von Kulturpflanzen verbessern.

In einer kürzlich erschienenen Publikation stellt ein internationales Team unter Leitung von Thomas Hartwig und Julia Engelhorn (Max‑Planck‑Institut für Pflanzenzüchtungsforschung Köln; Heinrich‑Heine‑Universität Düsseldorf) eine skalierbare Methode zur Kartierung genomischer regulatorischer Regionen vor – häufig als „Schalter“ bezeichnet, da sie das Timing und Ausmaß der Genexpression steuern. Während sich bisher die Forschung überwiegend auf Gene selbst konzentrierte, zeigt diese Studie, dass viele entscheidende Merkmalsunterschiede auf Variation in diesen regulatorischen Schaltern zurückzuführen sind – Regionen, die traditionell schwer großflächig untersucht werden konnten.

Bei der Analyse von 25 unterschiedlichen Mais-Hybriden identifizierten die Forschenden über 200.000 genomische Regionen, in denen natürliche Variation regulatorische Schalter beeinflusst. Diese Variationen wirken sich nachweislich auf zentrale agronomische Merkmale wie Wuchshöhe, Blattmorphologie sowie Toleranz gegenüber Trockenheit und Krankheit aus. Obwohl diese regulatorischen Schalter weniger als ein Prozent des Genoms ausmachen, erklärt Variation an diesen Stellen häufig einen erheblichen Anteil der erblichen Merkmalsunterschiede – und in manchen Fällen sogar mehr als die Hälfte. Diese Erkenntnis eröffnet Züchtern einen mächtigen neuen Hebel: die gezielte Veränderung regulatorischer Schalter zur Beschleunigung der Entwicklung klimaresilienter Sorten. „Das Verständnis, wie diese regulatorischen Schalter wirken, liefert uns kraftvolle Werkzeuge zur Verbesserung sowohl der Anpassungsfähigkeit als auch der Ertragsleistung von Kulturpflanzen – und bildet die Basis für intelligentere Sorten der Zukunft”, erklärt Thomas Hartwig.

Die Forschenden wendeten ihre Methode gezielt auf Trockenstress an und identifizierten über 3.500 einzelne regulatorische Schalter sowie die dazugehörigen Gene, die auf wasserminimierte Bedingungen reagieren. Die Präzision dieser Kartierung ermöglicht es, diese Schalter gezielt zu modifizieren und Pflanzen mit verbesserter Trockenresilienz zu entwickeln. „Unser hybridenbasierter Assay erlaubt den direkten Vergleich maternaler und paternaler regulatorischer Allele innerhalb eines einzigen Experiments. Wir stellen der Mais-Forschungsgemeinschaft nun einen Katalog von über 3.500 trockenheitsassoziierten Regulatorstellen zur Verfügung – und eröffnen neue Möglichkeiten, die Genexpression gezielt für erhöhte Robustheit zu optimieren”, sagt Julia Engelhorn.

Co-Autorin Samantha Snodgrass (University of California, Davis) betont den Perspektivwechsel: “Trotz jahrzehntelanger bahnbrechender Forschung zur Genomevolution bleibt ein großer Teil des nicht-kodierenden Genoms eine Blackbox. Diese spannende neue Methode zieht den Vorhang zurück – und bietet Züchtern und Biolog:innen präzise Ziele in zuvor übersehenen Bereichen.”