Genfamilien, die mit der Wiederherstellung der Fruchtbarkeit bei Getreide verbunden sind

In zeitgenössischen Zuchtpraktiken ist es entscheidend, die komplexen genetischen Interaktionen zu untersuchen, die nicht nur an den CMS- und Rf-Loci, sondern auch an anderen Loci stattfinden, die die Pflanzenfruchtbarkeit, die Wahl zwischen Selbstbestäubung und Fremdbestäubung sowie die allgemeine Hybridisierungsleistung beeinflussen. Dieses Verständnis ist entscheidend für den Fortschritt ungehinderter Kreuzungsinitiativen.

Diese Studie enthüllte eine bemerkenswerte Expansion und Vielfalt innerhalb der RFL- und mTERF-Genfamilien, die mit der Wiederherstellung der Fruchtbarkeit verbunden sind. Darüber hinaus beleuchtete sie die evolutionären Mechanismen, die diese Gene steuern, und eröffnete neue Perspektiven zur Verbesserung der Hybridproduktion bei Weizen und verwandten Sorten.

Genomweite vergleichende Analyse von RFL-Genfamilien in Getreidearten

Die erste genomweite vergleichende Untersuchung der RFL (reproductive restoration) Genfamilie in Reis und Gerste hat ein bemerkenswertes Maß an strukturelle und Kopienzahlvariationensowohl innerhalb als auch zwischen den Arten. Eine eingehende Untersuchung, einschließlich Kovarianz- und Sequenzkonservierungsanalysen, zeigt, dass RFL-Sequenzen, die zusammen gruppiert sind, eher eine Diversifizierung durchlaufen als solche, die außerhalb dieser Cluster verstreut sind. Diese Diversität innerhalb des RFL-Zweigs wird durch komplexe genetische Interaktionen zwischen CMS-Genen und Rf-Genen vorangetrieben, die letztendlich zur Sterilität führen.

Bemerkenswerterweise weist das Weizengenom eine ungewöhnlich hohe Anzahl von RFL-Genen auf, wobei "Chinese Spring" allein 207 solcher Gene besitzt, was einen auffälligen Kontrast zu anderen Angiospermen darstellt, bei denen die Anzahl typischerweise zwischen 20 und 30 liegt. Um diese Erkenntnisse zu gewinnen, entwickelten die Forscher eine Methode zur Sequenzaufnahme von RFL, ähnlich den Ansätzen, die für R-Gene verwendet werden. Maßgeschneiderte, RFL-spezifische Sonden wurden für die Sequenzaufnahme verwendet, wobei RFL-Sequenzen aus Brotweizen, seinen subgenomischen Spendern und verwandten Sorten genutzt wurden. Kandidatengene, die für die Wiederherstellung von Rf1 und Rf3 verantwortlich sind, wurden durch Vergleiche zwischen Sequenzen in wiederhergestellten und nicht wiederhergestellten Genotypen identifiziert, wobei ihre Funktionen anschließend durch transgene Experimente bestätigt wurden.

Durch die Nutzung der Verfügbarkeit von Referenzgenomsequenzen für Roggen und Weizen konnten Forscher erfolgreich das Rfmulti-Multilokus (Wiederherstellung der Fruchtbarkeit in mehreren CMS-Systemen) charakterisieren. Dieses Vorhaben führte zur Identifizierung eines Kandidatengens für Rfmulti innerhalb des Weizengenom durch vergleichende Analyse der konservierten Regionen, die zwischen den Genomen von Roggen und Weizen geteilt werden. Die nächste Phase umfasst die experimentelle Validierung dieser Vorhersage.

Erweiterungen der RFL- und mTERF-Genfamilien in Triticeae und Verwandten. (Melonek et al., 2022)

Entdeckung von RFL-Typ mTERF-Genen im Weizen-Pan-Genom

Frühere Studien zu Roggen und Gerste haben nahegelegt, dass Mitglieder der mTERF-Familie (mitochondrial transcription termination factor) eine entscheidende Rolle bei der Wiederherstellung der Fruchtbarkeit in Getreide spielen könnten. Diese Proteine sind durch ein sich wiederholendes Motiv gekennzeichnet, das etwa 30-35 Aminosäuren umfasst und als mTERF-Motiv bekannt ist, das Ähnlichkeiten mit PPR-Proteinen aufweist. Bei Getreide besteht eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zwischen der Verteilung von dispergierten und gruppierten mTERF-Genen. Ungefähr 21-32 dispergierte Gene stimmen mit den 24 dispergierten Genen überein, die in Arabidopsis identifiziert wurden, von denen viele eine hohe Konservierung aufweisen und wahrscheinlich homologe Gegenstücke darstellen. Im Gegensatz dazu erfahren gruppierte mTERF-Gene in Getreide eine signifikante Amplifikation, mit über 300 in Weizen und etwa 100 in Roggen. Die gruppierten mTERFs zeigen ein evolutionäres Muster, das an den RFL-PPR-Genzweig erinnert, gekennzeichnet durch hohe Ähnlichkeit unter den Paralogon, aber relativ geringere Ähnlichkeit zwischen direkten Linien. Im Roggen überlappen die RFL- und mTERF-Cluster auf Chromosom 4R mit genomischen Regionen, die die Wiederherstellungsloci Rfp1, Rfp2 und Rfp3 beherbergen. Unter diesen ist die Sequenz von Rfp1 das einzige, das als mTERF-Gen kloniert und charakterisiert wurde.

Die Genauigkeit komplexer RFL- und mTERF-Gencluster-Assemblierungen wurde durch Fortschritte in der Technologie erheblich verbessert. Sequenzierung und Zusammenstellungsstrategien, die auf Getreidegenome mit reichhaltigen repetitiven Sequenzen zugeschnitten sind. Dies zeigt sich in der Anzahl der RFL-Gene, die durch vier verschiedene Assemblierungen gewonnen wurden. Verfeinerte Referenzgenomassemblierungen, zusammen mit umfangreichen pan-genomisch und pan-transkriptomische Datensätze mit langen Leselängen werden sich als unschätzbar wertvoll erweisen, um die Vielfalt und Expansion von RFL- und mTERF-Genen in Getreidearten zu entschlüsseln.

Mitochondriale Sequenzevolution und ihre Auswirkungen auf die Erhaltung von CMS-Eigenschaften

Umstellungen im mitochondrialen Genom sind ein häufiges Vorkommen bei Pflanzen und führen oft zur Entstehung neuer offener Leserahmen (ORFs), von denen einige zur männlichen Sterilität beitragen. Alle bekannten CMS-Gene weisen mosaikartige Strukturen auf, die männlich-sterilen Pflanzen einen Vorteil gegenüber Hermaphroditen in der Samenproduktion verschaffen, indem die Energie, die für die Pollentwicklung vorgesehen ist, in die Samenproduktion umgeleitet wird. Dies fördert wiederum die Übertragung der CMS. mitochondriales Genom durch maternale Vererbung. Dennoch erzeugt die daraus resultierende Verbreitung männlich steriler Pflanzen einen erheblichen Selektionsdruck zugunsten von Rf-Genen, die darauf abzielen, CMS entgegenzuwirken. Diese Rf-tragenden Pflanzen können dann die männlich sterilen Individuen bestäuben, die keine Rf-Gene tragen.

Bemerkenswert ist, dass im Kontext des Ogu-CMS-Systems bei Radieschen eine kürzlich entdeckte Einzel-Nukleotid-Substitution innerhalb der orf138-Gensequenz als Auslöser für männliche Sterilität identifiziert wurde. Interessanterweise wurde diese Mutation innerhalb der Bindungsstelle des Wiederherstellungsproteins Rfo gefunden und führte zu einer signifikanten Verringerung der Affinität von Rfo für diese Stelle. Darüber hinaus enthüllte diese Studie ein neues Wiederherstellungsgens, Rfs, das in der Lage ist, die durch die mutierte orf138 induzierte Sterilität effektiv zu unterdrücken.

Mitochondriale-nukleare Genominteraktionen in CMS und Fertilitätswiederherstellung bei Pflanzen. (Melonek et al., 2022)

Vergleichende Untersuchungen zu Referenzgenom Folgen und pan-genomische Daten haben eine erhebliche Proliferation und außergewöhnliche Vielfalt innerhalb der RFL- und mTERF-Genfamilien enthüllt, die als die primären Reservoirs für Gene zur Wiederherstellung der Fruchtbarkeit in Getreidekulturen dienen. In Zukunft wird die Integration von genombreiten Assoziationsstudien mit fortschrittlichen Langzeit-Sequenzierungstechnologien ist bereit, die Identifizierung und Charakterisierung neuartiger Wiederherstellungs-Gene zu beschleunigen, was die hybriden Zuchtprogramme verbessern wird. Darüber hinaus versprechen diese Durchbrüche, neue Erkenntnisse über die Mechanismen zu liefern, durch die nukleare Rf-Gene effektiv CMS-bezogene Merkmale mindern.

Referenz:

1. Melonek, Joanna und Ian Small. "Genomsequenzen der Triticeae zeigen enorme Erweiterungen von Genfamilien, die an der Wiederherstellung der Fruchtbarkeit beteiligt sind." Current Opinion in Plant Biology 66 (2022): 102166.