Transkriptomplastizität von Maishybriden und ihren elterlichen Inzuchtlinien an der Schnittstelle von Genotyp und Entwicklung

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Hochholdinger
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 166916654

In der kommerziellen Maisproduktion werden fast ausschließlich Hybride verwendet, weil diese deutlich leistungsfähiger als ihre homozygoten Eltern sind. Dennoch ist über die molekularen Grundlagen dieses Phänomens, das Heterosis genannt wird, nur wenig bekannt. In der ersten Förderperiode haben wir eine spezielle Form der Komplementation auf Genexpressionsebene entdeckt, die wir single parent expression (SPE) genannt haben. SPE-Gene sind nur in einer der beiden elterlichen Inzuchtlinien, jedoch in beiden daraus erzeugten Hybriden exprimiert. In Maiswurzelgeweben konnten wir >2300 SPE-Gene identifizieren. Als Folge von SPE lag die Zahl der aktiven Gene in den Hybriden in allen von uns untersuchten Geweben um mindestens 400 über den elterlichen Inzuchtlinien. Nicht-syntenische Gene, die erst nach der letzten Genomduplikation von Mais entstanden sind, waren unter den SPE Genen deutlich überrepräsentiert. In der zweiten Förderperiode planen wir den Einfluss von Genotyp und Entwicklung auf die transkriptomische Plastizität von Maishybriden mit Hilfe von RNA-Sequencing Experimenten zu untersuchen. Die genotyp-abhängige Kontrolle der transkriptomischen Plastizität in Primärwurzeln von Mais wird in sechs Kreuzungen des sich wiederholenden weiblichen Elters B73 mit den Inzuchtlinien A554, H84, H99, OH43, W64A und Mo17 untersucht werden. Die entwicklungsbedingte Kontrolle der transkriptomischen Komplexität werden wir in diesen Genotypen zu drei Entwicklungszeitpunkten studieren, die durch die Länge der Primärwurzeln definiert werden. Ein Schwerpunkt der geplanten Experimente wird die weitere Erforschung der Verbreitung und Rolle von SPE-Mustern während der Ausprägung der Heterosis in Mais Primärwurzeln und die Entdeckung neuer genotypspezifische SPE Muster sein. Außerdem werden wir den evolutionären Ursprung dieser Gene, deren Häufigkeit unter den klassischen Maisgenen, die durch einen sichtbaren Mutantenphänotyp identifiziert wurden, deren Regulation und deren Funktion untersuchen. Weiterhin werden wir differentielle, nicht-additive und allelspezifische Genexpressionsmuster bestimmen um konservierte und einzigartige Expressionsmuster zwischen diesen Genotypen und Entwicklungszeitpunkten zu identifizieren. Schließlich werden wir diese Expressionsmuster mit phänotypischen und histologischen Daten korrelieren um erste Erkenntnisse zur Rolle dieser Genexpressionsmuster während der Heterosisausprägung in Maiswurzeln zu gewinnen. Diese Korrelationen mit einer relativ kleinen Zahl von Genotypen werden relativ schwach sein, könnten aber erste Hinweise für weitere Forschungsansätze mit einer größeren Zahl von Genotypen liefern. Zusammenfassend wird die Untersuchung des Einflusses von genetischen und entwicklungsgesteuerten Faktoren auf die Plastizität der Transkriptome von Maishybriden und deren elterlichen Inzuchtlinien Einblicke in die komplexen molekularen Prozesse ermöglichen, die der Heterosisausprägung in Maiswurzeln zu Grunde liegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen