Munich, Germany
July 27, 2020
>> Decodifican el genoma del maíz europeo: “igual, pero diferente” al americano (ChileBio)
German researchers decoded the European maize genome. In comparison to North American maize lines, they discovered variations that underlie phenotypic differences and may also contribute to the heterosis effect. A better understanding of the effect could impact breeding for higher yields. For cultivation of maize in areas with low yields and for challenges imposed by the climate change these observations might be of particular importance.
The maize genome tells an intriguing story about domestication and the shaping of the genome by human selection. Around 10,000 years ago, Native Americans started to domesticate maize in what is Mexico today. They created the basis for one of today’s most important sources of food for both humans and livestock. After the discovery of the “new world” by Columbus, maize was brought from the Americas to Europe. Maize adapted to new growing and climate regimes through directed breeding and selection and finally spread around the globe.
Due to its history, today’s maize lines do not only differ in appearance, their genome contains many differences (presence and absence of genes as well as structural variations). In 2009, researchers decoded the genome of the North American maize accession “B73”. This reference sequence, however, only covers a small part of the global maize genome (pan-genome) and is of limited use as a benchmark for European lines. In order to improve maize breeding and adapt to climate change, basic research on the genome of other maize lines is needed.
European maize genome decoded for the first time
German researchers now succeeded in decoding the European maize genome. They analyzed four different European maize lines using modern sequencing technologies and bioinformatics approaches. In comparison with two lines from North America, they found significant differences in the genetic content and genome structure of these lines – after a few hundred to a thousand years of genetic separation only.
Moreover, so-called “knob” regions (condensed chromatin regions in the maize DNA) vary substantially in those maize lines. Knob regions are known to affect adjacent genes. In areas where knobs tend to be more pronounced, surrounding genes cannot be read. This results in a loss of genetic function.
Potential cause for heterosis
„We hypothesize that differences in gene content, gene regulation and the influence of knob regions might cause the heterosis effect,” says Prof. Klaus Mayer, genomicist at Helmholtz Zentrum München and honorary professor of TUM School of Life Sciences at the Technical University of Munich.
Heterosis occurs when the descendants of crossbreeds are significantly larger and produce higher yields than their parents. If specific genes of a parental generation, e.g. those which determine the height of the maize plant, are not present in a certain region or cannot be read, this will affect the height of the offspring as well. Through crossbreeding with a plant that contains the necessary genetic factor, the defect can be compensated in the next generation. “This results in larger plants with higher yields – without the parents showing these characteristics. In some crossings, this effect can even result in doubling the yield. Although it has been exploited in breeding for a long time, the genetic and molecular basis of heterosis is not yet fully understood,” says Prof. Chris-Carolin Schön, professor of Plant Breeding at TUM.
“In a next step, we will test our hypothesis. To this end, we will not only analyze the genomes of the different maize lines, but focus on potential epigenetic processes that may affect the functionality of particular genes,” adds Klaus Mayer.
If the researchers’ hypothesis proves right, heterosis could be applied even more effectively in future maize breeding. Areas with low yields could benefit from heterosis. Furthermore, these findings could become highly relevant in view of a growing world population and climate change, which poses increasing challenges onto agricultural production.
About the study
This study was led by Helmholtz Zentrum München, Department of Genomics and Systems Biology of Plant Genomes, in cooperation with the TUM School of Life Sciences, Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), University of Bonn and KWS SAAT SE. It received funding from the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and the Bavarian State Ministry for Environment and Consumer Protection (project alliance BayKlimaFit).
Original publication
Haberer et al., 2020: European maize genomes highlights intra-species dynamics of repeats and genes. Nature Genetics, DOI: 10.1038/s41588-020-0671-9
Warum der Mais manchmal weit vom Stamm fällt
Erstmals entschlüsselten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das europäische Mais-Genom. Im Vergleich mit nordamerikanischen Maislinien entdeckten sie Unterschiede, die möglicherweise zum Heterosis-Effekt beitragen. Ein besseres Verständnis des Effekts könnte Züchtungen mit höheren Erträgen ermöglichen. Insbesondere für den Maisanbau in Gebieten mit geringer Ernte und für künftige Herausforderungen durch den Klimawandel könnten diese Erkenntnisse wertvoll werden.
Der Mais hat eine lange Entwicklungsgeschichte hinter sich. Als die Bewohner Mexikos vor rund 10.000 Jahren anfingen, Mais zu domestizieren, schufen sie die Grundlage für eine der heute wichtigsten Nahrungsquellen für Mensch und Tier. Mit Kolumbus begab sich die Pflanze auf die Reise von Amerika nach Europa. So wie der Mensch wanderte, passte sich auch der Mais über Züchtungen neuen Wuchs- und Klimabedingungen rund um den Globus an.
Aufgrund der historischen Vermischungen unterscheiden sich heutige Maislinien nicht nur äußerlich, auch ihr Erbgut ist divers. Im Jahr 2009 wurde das erste Mais-Genom der nordamerikanischen Linie „B73“ entschlüsselt. Diese Referenzsequenz erfasst jedoch nur einen kleinen Teil des weltweiten Mais-Genoms (Pan-Genom) und kann nur beschränkt als Vergleichspunkt für europäische Linien genutzt werden. Um die Maiszüchtung zu verbessern und an den Klimawandel anzupassen, ist Grundlagenforschung am Genom weiterer Maislinien notwendig.
Europäisches Mais-Genom erstmals entschlüsselt
Nun gelang es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erstmals, das europäische Mais-Genom zu entschlüsseln. Dazu analysierten sie vier verschiedene europäische Maislinien mithilfe moderner Sequenzierungstechnologien und Ansätzen aus der Bioinformatik. Die Ergebnisse verglichen sie mit zwei Linien aus Nordamerika. Die Forscherinnen und Forscher fanden ausgeprägte Unterschiede in Gengehalt und in der Genomstruktur dieser Linien – und dies nach nur einigen hundert bis tausend Jahren der Trennung.
Auch sogenannte „Knob“-Regionen (kondensierte Chromatin-Bereiche in der Mais-DNA) unterscheiden sich in den Maislinien stark. Knob-Regionen haben Auswirkungen auf benachbarte Gene. Dort, wo Knobs stärker ausgeprägt sind, werden umliegende Gene nicht abgelesen. Dadurch verlieren die Gene ihre Funktion.
Mögliche Ursache für Heterosis
„Wir gehen davon aus, dass die Unterschiede im Gengehalt und in der Regulation einzelner Gene sowie der Einfluss der Knob-Regionen Ursachen für den Heterosis-Effekt sein könnten“, sagt Prof. Klaus Mayer vom Helmholtz Zentrum Mùˆnchen, der zudem Honorarprofessor der TUM School of Life Sciences der Technischen Universität München ist.
Von Heterosis spricht man, wenn die Nachkommen aus Kreuzungen deutlich größer sind und höhere Erträge abwerfen als die Eltern. Das Prinzip dahinter: Sind die Gene der Elterngeneration, die zum Beispiel für die Größe der Maispflanze verantwortlich sind, in einzelnen Regionen nicht vorhanden oder können nicht abgelesen werden, würde dies die Wuchshöhe der Nachkommen beeinflussen. Durch Kreuzung mit einer Linie, bei der dieses Defizit nicht vorliegt, kann dies in der Folgegeneration kompensiert werden. „Dadurch entstehen größere Pflanzen mit höheren Erträgen, ohne dass die Eltern diese Merkmale besitzen. Dieser Effekt kann in manchen Kreuzungen den doppelten Ertrag hervorbringen. Obwohl in der Züchtung seit langem genutzt, sind die genetischen und molekularen Grundlagen der Heterosis noch nicht vollständig geklärt“, sagt Prof. Chris-Carolin Schön, Leiterin des Lehrstuhls für Pflanzenzüchtung an der TUM.
„Im nächsten Schritt werden wir unsere Annahme, dass ein Zusammenhang zwischen den Unterschieden im Gengehalt, den Knob-Regionen und der Heterosis im Mais besteht, genauer erforschen. Dazu werden wir nicht nur das Erbgut der Maislinien betrachten, sondern die Augen auch für mögliche epigenetische Prozesse, die die Funktionalität der Gene beeinflussen, offenhalten“, ergänzt Klaus Mayer.
Bestätigt sich die Annahme, könnte der Heterosis-Effekt künftig noch gezielter in der Maiszüchtung zur Anwendung kommen. Dann könnten beispielsweise Gebiete mit niedrigen Erträgen von Heterosis profitieren. Auch in Hinblick auf eine wachsende Weltbevölkerung und den Klimawandel, der die Landwirtschaft vor erschwerte Bedingungen stellt, könnten diese Erkenntnisse von Bedeutung werden.
Über die Studie
Die Studie wurde unter Leitung des Helmholtz Zentrums München, Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome, durchgeführt. Sie entstand in Zusammenarbeit mit der TUM School of Life Sciences, dem Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), der Universität Bonn und der KWS SAAT SE. Finanziert wurde die Studie durch Fördergelder des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und durch das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz (Projektverbund BayKlimaFit).
Originalpublikation
Haberer et al., 2020: European maize genomes highlights intra-species dynamics of repeats and genes. Nature Genetics, DOI: 10.1038/s41588-020-0671-9
Topics
Species
