SPP 1149: Heterosis in Plants
Final Report Abstract
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.
Publications
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