Pflanzen, die durch den Austausch genetischer Module zwischen Zellen entstanden sind

Der Vergleich der Einzelzellsequenzierung verschiedener Getreidearten liefert Hinweise auf landwirtschaftliche Merkmale, die für die Anpassung von Pflanzen an den Klimawandel von entscheidender Bedeutung sind

Laut einer neuen Studie von Forschern der New York University zeigt der Vergleich einzelner Zellen von Mais, Sorghum und Hirse evolutionäre Unterschiede zwischen diesen wichtigen Getreidepflanzen.

Die in „Nature“ veröffentlichten Ergebnisse bringen Forscher der Bestimmung näher, welche Gene wichtige landwirtschaftliche Merkmale wie Dürretoleranz steuern. Dies wird Wissenschaftlern helfen, die mit einem sich ändernden Klima konfrontiert sind, Nutzpflanzen an trockenere Umgebungen anzupassen.

Mais, Sorghum und Hirse dienen Menschen und Tieren auf der ganzen Welt als Nahrung. Mais und Sorghum sind uralte Verwandte, die sich vor etwa 12 Millionen Jahren zu zwei verschiedenen Arten entwickelten, und Hirse ist ein weiter entfernter Verwandter.

Trotz ihrer gemeinsamen Abstammung weisen die Nutzpflanzen erhebliche Unterschiede in wichtigen Merkmalen auf – beispielsweise ist Sorghum weitaus toleranter gegenüber Trockenheit als Mais, und die Pflanzen geben aus ihren Wurzeln einzigartige klebrige Substanzen ab, die die Art und Weise beeinflussen, wie sie mit dem umgebenden Boden interagieren. Diese Unterschiede können darauf zurückgeführt werden, dass Mais nach der Abspaltung von Sorghum eine Duplikation des gesamten Genoms durchläuft.

„Die Bedeutung dieser Nutzpflanzen, ihre evolutionäre Nähe und ihre funktionellen Unterschiede stellen eine spannende Gelegenheit dar, Muster der Genexpression auf Zellebene zu vergleichen“, sagte Bruno Guillotin, Postdoktorand am Department of Biology der NYU und Erstautor der Studie. „Obwohl diese drei Kulturpflanzen ähnlich sind, ist es wichtig, wie sie sich voneinander unterscheiden, da sie Merkmale aufweisen, die wir möglicherweise von der einen auf die andere übertragen möchten, wie zum Beispiel Dürretoleranz.“

Die Forscher führten ein Einzelzell-mRNA-Profiling der Wurzeln von Mais, Sorghum und Hirse durch, indem sie die Wurzeln sezierten, um die Zellen einzeln zu betrachten und genau zu beobachten, wo Gene in einer bestimmten Zelle exprimiert werden. Anschließend verglichen sie dieselben spezialisierten Zellen in den drei Nutzpflanzen.

„Wurzeln sind die erste Verteidigungslinie gegen Dürre und Hitze. Man kann sich die Wurzel als eine Maschine mit vielen Arbeitsteilen – in diesem Fall Zelltypen – vorstellen, also wissen, wie die Maschine funktioniert, um Wasser zu sammeln und mit Dürre und Hitze umzugehen.“ ist wirklich wichtig“, sagte Kenneth Birnbaum, Professor am Department of Biology und Center for Genomics and Systems Biology der NYU und leitender Autor der Studie. „Der Vergleich der verschiedenen Arten hilft uns herauszufinden, welche Gene zu wichtigen landwirtschaftlichen Merkmalen führen.“

Bei der Untersuchung, wie sich Zellen in den verschiedenen Arten entwickelt und divergiert haben, identifizierten die Forscher mehrere Trends, die auf eine „Verfälschung“ – oder die Neuanordnung vorhandener Elemente – von Zellen im Laufe der Zeit hinweisen. Erstens beobachteten sie, dass Zellen im Laufe der Evolution häufig Genexpressionsmodule oder Gruppen von 10 oder 50 Genen mit koordinierten Funktionen zwischen Zelltypen austauschen.

„Dieser Austausch von Genmodulen wurde in tierischen Systemen gezeigt, aber die von uns generierten Daten sind das erste Mal, dass er in großem Umfang in Pflanzen veranschaulicht wird“, fügte Birnbaum hinzu.

Dieser Austausch von Modulen wurde in einer Entdeckung über Wurzelschleim demonstriert – die klebrige, mit Nährstoffen gefüllte Substanz, die Wurzeln in den Boden abgeben. Schleim ist nützlich, um den Boden zu schmieren, damit die Wurzeln hindurchpassen und nützliche Bakterien anziehen können, die die Pflanze schützen oder schwer zu bekommende Nährstoffe liefern.

Die Forscher fanden heraus, dass die Gene, die zur Bildung von Wurzelschleim beitragen, in verschiedenen Teilen der Mais-, Sorghum- und Hirsewurzel lokalisiert waren. Bei Sorghum wurden die Schleimgene im äußeren Gewebe der Wurzel gefunden, während sie bei Mais in einen neuen Zelltyp in der Wurzelkappe ausgetauscht wurden, eine evolutionäre Veränderung, die es Mais ermöglichen könnte, Bakterien anzuziehen, die der Pflanze helfen, Stickstoff zu gewinnen. Sie identifizierten auch andere Genregulatoren, die je nach Kulturpflanze in unterschiedlichen Zelltypen ausgetauscht wurden, und stellten den Forschern damit erstklassige Kandidaten für die Prüfung von Genen zur Verfügung, die bestimmte Merkmale vermitteln.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die Vervielfältigung des gesamten Genoms im Mais nach der Abspaltung von Sorghum vor 12 Millionen Jahren bestimmte Zelltypen beeinflusste und es den Maiszellen ermöglichte, sich schnell zu spezialisieren. Sie beobachteten auch, dass bestimmte Arten von Zellen als Spender neuer Gene fungierten, während andere anscheinend neue Genduplikate sammelten, was darauf hindeuten könnte, dass die Genduplikation die Entwicklung bestimmter Zellen beschleunigte.

Jüngste Fortschritte bei Einzelzell-Sequenzierungstechniken haben diese Forschung ermöglicht und neue Methoden zur Erforschung des Zusammenhangs zwischen Genen und zellulären Merkmalen in Nutzpflanzen eröffnet.

„Vor einem Jahrzehnt konnten wir mit den frühen Einzelzellsequenzierungstechniken nur ein Dutzend oder einige Dutzend Zellen analysieren. Jetzt können wir in einem ziemlich routinemäßigen Experiment Zehntausende von Zellen profilieren“, sagte Birnbaum.

Zukünftige Studien werden vergleichen, wie einzelne Zellen dieser drei Nutzpflanzen auf Stress, beispielsweise Dürre, reagieren.

„Diese Reaktion könnte der Schlüssel zur Entdeckung der Gene sein, die für die Dürretoleranz wirklich wichtig sind“, sagte Birnbaum.

Weitere Studienautoren sind Ramin Rahni, Carlos Ortiz Ramírez und Sunil Kenchanmane Raju von der NYU; Mohammed Ateequr Mohammed von der NYU Abu Dhabi; Michael Passalacqua, Xiaosa Xu und David Jackson vom Cold Spring Harbor Laboratory; Simon C. Groen von der University of California, Riverside; und Jesse Gillis von der University of Toronto. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (IOS-1934388), den National Institutes of Health (R35GM136362) und Human Frontiers of Science (LT000972/2018-L) finanziert.