SPP 1149: Heterosis bei Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Heterosis bezeichnet das biologische Phänomen, dass Hybriden, d. h. die Kreuzungsnachkommenschaften genetisch unterschiedlicher Pflanzen, im Durchschnitt erheblich wüchsiger, robuster und vor allem ertragsreicher sind als ihre Eltern. Die Ertragssteigerungen betragen je nach Spezies um bis zu 100% und mehr. Dieses Phänomen hat für die Pflanzenzüchtung eine immense Bedeutung. Die genetischen und molekularen Ursachen der Heterosis waren bislang, trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung, weitgehend ungeklärt. Das Ziel des SPP1149 war es nun, mit Hilfe neuester Methoden der Genomforschung einen Durchbruch bei der Aufklärung der Heterosis bei Pflanzen zur erreichen. Zwischen 2003 und 2009 haben 16 Gruppen wichtige Merkmale der Heterosis an der Modellpflanze Arabidopsis sowie an den Nutzpflanzen Raps und Mais in unterschiedlichen Entwicklungsstadien unter diversen Fragestellungen erforscht. Durch die Verwendung desselben Pflanzenmaterials und der Erfassung von Daten auf verschiedenen biologischen Ebenen (z. B. phänotypische Daten aus Gewächs- und Feldexperimenten sowie molekulare Daten von DNA-Markern, DNA-Sequenzen, Transkriptomen, Metabolomen) und deren integrierte Auswertung war es möglich, ein umfassendes Verständnis der Heterosis zu entwickeln. In quantitativ-genetischen Analysen konnte für alle drei Spezies eine polygene Vererbung der Heterosis für ertragsrelevante Merkmale nachgewiesen werden. Die Genwirkungsweise der detektierten Genomregionen entsprach dabei weitgehend dem Ausmaß an Heterosis: bei Arabidopsis und Raps wurde partielle oder vollständige Dominanz gefunden, bei Mais mit sehr hoher Heterosis hingegen primär Pseudo-/Überdominanz. Epistasie spielte durchweg nur eine untergeordnete Rolle. Bei Raps konnte zudem gezeigt werden, dass in allopolyploiden Arten ein erhebliches Ausmaß an fixierter Heterosis bereits in homozygotem Zustand genutzt wird. In Einklang mit diesen Befunden wurde auf der Transkriptomebene ebenfalls eine nicht-additive Expression vieler Gene in Maishybriden gefunden. In gleicher Weise waren die Metabolitprofile in Maiskörnern und -wurzeln deutlich mit der Ausprägung von Heterosis assoziiert und stellen somit potenzielle Heterosismarker dar. Mit neuen Ansätzen der Systembiologie konnte insgesamt gezeigt werden, dass Heterosis aus dem fein abgestimmten Zusammenspiel hoch-komplexer Gen-Netzwerke resultiert. Für eine optimale Nutzung der Heterosis in der Pflanzenzüchtung konnten neue, Markerbasierte Strategien zur Etablierung und genetischen Verbreiterung heterotischer Gruppen entwickelt werden. Mit innovativen biometrischen Verfahren gelang es, die Heterosiseffekte vorherzusagen und die Leistung von Hybriden anhand von DNA-Markern und/oder des Transkriptom- bzw. Metabolomprofils ihrer Eltern mit großer Präzision zu prognostisieren. Dieser innovative Ansatz verspricht, zu einem Quantensprung bei der Identifizierung und Selektion überlegener Hybriden beizutragen und damit die Hybridzüchtung bei vielen Nutzpflanzen zu revolutionieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2005) Optimal allocation in designs for assessing heterosis from cDNA gene expression data. Genetics 171:359-364
Piepho HP
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(2006) Combining signals from spotted maize (Zea mays L.) cDNA microarrays obtained at different scanning intensities. Bioinformatics 22:802-807
iepho H-P, Keller B, Hoecker N, Hochholdinger F
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(2006) Gas chromatography mass spectrometry-based metabolite profiling in plants. Nat Protoc1:387-396
Lisec J, Schauer N, Kopka J, Willmitzer L, Fernie AR
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(2007) Genetic basis of heterosis for growth-related traits in Arabidopsis investigated by testcross progenies of near-isogenic lines reveals a significant role of epistasis. Genetics 177:1827–1837
Melchinger AE, Piepho H-P, Utz HF, Muminovic J, Wegenast T, Törjek O, Altmann T, Kusterer B
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(2007) Heterosis for biomass-related traits in Arabidopsis investigated by quantitative trait loci analysis of the triple testcross design with recombinant inbred lines. Genetics 177:1839-1850
Kusterer B, Piepho HP, Utz HF, Schön CC, Muminovic J, Meyer RC, Altmann T, Melchinger AE
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(2007) Impact of interpopulation divergence on additive and dominance variance in hybrid populations. Genetics 176:1931-193
Reif JC, Gumpert FM, Fischer S, Melchinger AE
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(2007) The metabolic signature related to high plant growth rate in Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci USA 104:4759-4764
Meyer RC, Steinfath M, Lisec J, Becher M, Witucka-Wall H, Törjek O, Fiehn O, Eckardt Ä, Willmitzer L, Selbig J, Altmann T
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(2007) The role of epistasis in the manifestation of heterosis - a systems-oriented approach. Genetics 177:1815-182
Melchinger AE, Utz HF, Piepho HP, Zeng ZB, Schön CC
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(2008) Comparison of maize (Zea mays L.) F1-hybrid and parental inbred line primary root transcriptomes suggests organ specific patterns of non-additive gene expression and conserved expression trends between different hybrids. Genetics 179:1275-1283
Höcker N, Keller B, Muthreich N, Chollet D, Descombes P, Piepho H-P, Hochholdinger F
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(2008) Genetic analysis of heterosis for yield and yield components in rapeseed (Brassica napus L.) by quantitative trait locus mapping. Genetics 179:1547-1558
Radoev M, Becker HC, Ecke W
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(2008) Identification of metabolic and biomass QTL in Arabidopsis thaliana in a parallel analysis of RIL and IL populations. The Plant Journal 53:960-972
Lisec J, Meyer RC, Steinfath M, Redestig H, Becher M, Witucka-Wall H, Fiehn O, Törjek O, Selbig J, Altmann T, Willmitzer L
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2008) Analysis of non-additive protein accumulation in young primary roots of a maize (Zea mays L.) F1-hybrid compared to its parental inbred lines. Proteomics 8:3882–3894
Höcker N, Lamkemeyer T, Sarholz B, Paschold A, Fladerer C, Madlung J, Wurster K, Stahl M, Piepho H-P, Nordheim A, Hochholdinger F
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(2009) Identification of heterotic metabolite QTL in Arabidopsis thaliana RIL and IL populations. The Plant Journal 59:777-788
Lisec J, Steinfath M, Meyer RC, Selbig J, Melchinger AE, Willmitzer L, Altmann T
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(2009) Molecular marker-based prediction of hybrid performance in maize using unbalanced data from multiple experiments with factorial crosses. Theor Appl Genet 118:741-751
Schrag TA, Möhring J, Maurer HP, Dhillon BS, Melchinger AE, Piepho HP, Sørensen AP, Frisch M
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(2009) Unravelling epistasis with triple testcross progenies of near isogenic lines. Genetics 181:247-257
eif JC, Kusterer B, Piepho HP, Meyer RC, Altmann T, Schön CC, Melchinger AE
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(2010) Broadening the genetic base of European maize heterotic pools with US Cornbelt germplasm using field and molecular marker data. Theor Appl Genet 120:301-310
Reif JC, Fischer S, Schrag TA, Lamkey KR, Klein D, Dhillon BS, Utz HF, Melchinger AE
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(2010) Heterosis in early seed development: a comparative study of F1 embryo and endosperm tissues six days after fertilization. Theor Appl Genet 120-389-400
Jahnke S, Sarholz B, Kühr V, Gutierrez-Marcos JF, Geiger HH, Piepho HP, Scholten S
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(2010) Heterotic patterns of sugar and amino acid components in developing maize kernels. Theor Appl Genet 120:369-381
Römisch-Margl L, Spielbauer G, Schützenmeister A, Schwab W, Piepho HP, Genschel U, Gierl A
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(2010) Prediction of hybrid biomass in Arabidopsis thaliana by selected SNP and metabolic markers. Theor Appl Genet 120:239-247
Steinfath M, Gärtner T, Lisec J, Meyer RC, Altmann T, Willmitzer L, Selbig J
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(2010) Transcriptome-based distance measures for grouping of germplasm and prediction of hybrid performance in maize. Theor Appl Genet 120:441-450
Frisch M, Thiemann A, Fu J, Schrag TA, Scholten S, Melchinger AE
