Entschlüsselung der wichtigsten Regulatoren der Ährchendeterminierung bei Gerste

• Antragsteller: Ravi Koppolu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521774690

Seit den Anfängen der Landwirtschaft sind Getreidekörner die wichtigste Nahrungsquelle für die Menschheit. Sowohl Gerste als auch Weizen gehören zu den wichtigsten Getreidearten, die weltweit angebaut werden. Die Körner von Gerste, Weizen und anderen Getreidearten werden in speziellen blütentragenden Strukturen, den Ährchen, gebildet. Getreide bietet eine erstaunliche Vielfalt an Variationen in der Ährchenarchitektur. Eine dieser Variationen ist die Anzahl der Blüten (Grasblüten, die schließlich zu Körnern werden), die pro Ährchen gebildet werden. Gerstenährchen tragen eine einziges Blütchen, während Weizenährchen mehrere Blütchen pro Ährchen bilden. Diese entscheidenden Unterschiede in der Anzahl der Blütchen bei diesen Kulturen zeigen sich u.a. in der Wachstumsaktivität bzw. inhibierung eines Ährchenorgans, das als "Rachilla" bezeichnet wird. Bei den sog. determinierten Gerstenährchen stellt die Rachilla ihr Wachstum mit dem Erscheinen des ersten Blütchen ein, während bei den indeterminierten Weizenährchen das Rachillawachstum weitergeht und mehr Blütchen pro Ährchen hervorbringt, so dass die Rachilla bei diesen Kulturen ein wichtiges, den Kornertrag bestimmendes Organ ist. Trotz ihrer Bedeutung ist bisher nur sehr wenig über die genetischen und molekularen Mechanismen bekannt, die für die Initiierung, das Wachstum und den Stillstand der Rachillen verantwortlich sind. In diesem Forschungsabtrag möchte ich eine Gerstenmutante mit indeterminierten Ährchen, multiflorus 2.b (mul2.b) die das Rachillawachstum und die Anzahl der korntragenden Blütchen pro Ährchen (bis zu drei) quantitativ erhöht, besser funktionell charakterisieren. Umfangreiche phänotypische und genetische Analysen der Gerstenmutante mul2.b ergaben zwei wichtige Quantitative Trait Loci (QTL), die das Rachillawachstum und die Blütchenbildung kontrollieren. Auf der Grundlage des Wissens in diesem Forschungsbereich und der verfügbaren genetischen Ressourcen zielt der aktuelle Forschungsantrag darauf ab, (i) die Gene zu identifizieren, die den beiden wichtigsten QTLs für Rachillenwachstum/Blütenbildung in mul2.b durch kartengestütztes Klonen zugrunde liegen, und, (ii) die funktionelle Charakterisierung dieser Gene durch Allel-Mining, CRISPR/Cas9-basiertes Genome Editing und gezielte Rachilla-Transkriptom-Profilierung in mul2.b. Die Gene, die den mul2.b-QTLs in Gerste zugrunde liegen, und ihre allelische Variation stellen ein wesentliches genetisches Instrumentarium für Züchter dar, die den Kornertrag in Gerste und möglicherweise anderen Getreidearten verbessern wollen. Andererseits bieten die gezielten Rachillentranskriptom-Studien in mul2.b erste Einblicke in die molekulare Regulierung der Rachillenentwicklung bei Gerste. Insgesamt werden diese Ergebnisse einen umfassenden Überblick über die Rachillenentwicklung und die Blütenbildung bei Gerste und wahrscheinlich auch bei anderen Getreidesorten liefern, der in Zukunft zur Verbesserung der Kornerträge dieser Pflanzen genutzt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen