Universalität und Regulation der Komplementation von Genexpression und ihre Assoziation mit der phänotypischen Ausprägung der Heterosis in Maishybriden

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Hochholdinger
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie ; Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417884885

Die Beobachtung, dass F1-Hybride leistungsstärker als ihre Eltern sind wird als Heterosis bezeichnet. Mais liefert von allen Getreiden weltweit die höchsten jährlichen Kornerträge und wird in den wichtigsten maisproduzierenden Ländern ausschließlich als Hybride angebaut. Wegen ihrer herausragenden wirtschaftlichen Bedeutung wird die Nutzung der Heterosis als eine der wichtigsten Innovationen der modernen Landwirtschaft angesehen. Dennoch sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen weitgehend unverstanden. In früheren Arbeiten beobachteten wir, dass hunderte von Genen eine extreme Form der Komplementation auf Genexpressionsebene in Hybriden zeigten, die wir als „single parent expression“ (SPE) bezeichnet haben. Gene, die solche Expressionsmuster zeigen, sind nur in einem der beiden Eltern aktiv, aber immer in der Hybride, was im Einklang mit dem Dominanzmodell der Heterosis steht. Als Folge dieser Expressionsmuster zeigen Hybride hunderte von zusätzlich aktiven Genen im Vergleich zu ihren Elternlinien. Im ersten Teil des hier vorgeschlagenen Projekts werden wir RNA-Seq anwenden, um zu zeigen, dass SPE Komplementation universell beobachtet wird und eine signifikante Plastizität in unterirdischen gegenüber oberirdischen, Keimlings- im Vergleich zu adulten und vegetativen gegenüber generativen Geweben zeigt. Danach werden wir die Methode des "genomic evolutionary rate profiling" einsetzen, um die Hypothese zu testen, dass inaktive Allele in SPE Mustern generell nachteilige Allele repräsentierten. Im zweiten Teil dieses Projekts verfolgen wir das Ziel die Regulation der SPE Komplementation und ihre Rolle in der phänotypischen Ausprägung der Heterosis zu studieren. In diesem Zusammenhang werden wir eine Population von rekombinanten Inzuchtlinien von Mais einsetzen, die in ihre Elternlinien zurückgekreuzt wurde. Wichtige Regulatoren der SPE Gene vermuten wir in trans-eQTL Netzwerken, die wir mithilfe von RNA-Seq identifizieren. Rekombinante Inzuchtlinien, die in ihre Elternlinien zurückgekreuzt wurden tragen im Durchschnitt 50% heterozygote Gene, während die SPE Muster in diesen Genotypen nur auf 75% im Vergleich zu den F1-Hybriden aus den Eltern reduziert werden. Diese Populationen erlauben deshalb die getrennte Betrachtung des Einflusses von Heterozygotie und extremer Dominanz in Bezug auf Heterosis. Die Variation der Zahl der SPE Muster in verschiedenen rekombinanten Inzuchtlinien erlaubt ihren Einfluss auf die phänotypische Leistung zu studieren. Schließlich werden hochauflösende SNP Marker aus den RNA-Seq Experimenten dazu verwendet einige der Loci, die den hier untersuchten heterotischen Merkmalen zugrunde liegen, durch QTL Kartierungen zu bestimmen. Zusammengefasst werden diese Experimente zum mechanistischen Verständnis der molekularen Grundlagen der Heterosis beitragen und zu neuen Erkenntnissen führen, die zur verbesserten züchterischen Nutzung der Heterosis in Mais eingesetzt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen