Bonn, Germany
May 22, 2024
Maize can grow successfully in very different local conditions. An international study headed by the University of Bonn has now demonstrated the important role of the plant root system. The researchers analyzed more than 9,000 varieties in the study and were able to show that their roots varied considerably – depending on how dry the location is where each variety was cultivated. They were also able to identify an important gene that plays a role in the plant’s ability to adapt. This gene could be the key to developing varieties of maize that cope better with climate change. The results were recently published in the prestigious journal Nature Genetics.
The map of the USA shows: - The drier the region, the fewer seminal roots the maize varieties cultivated there had on average (black figure; the pie chart shows the proportion of varieties with up to one seminal root in yellow, with up to three seminal roots in green and with more than three seminal roots in blue). © Image: AG Hochholdinger/Uni Bonn
It is a bushy plant with highly branched stems. Finger-length ears grow from the axils of their elongated leaves and every one of them consists of a dozen rock-hard seeds.
You have to look very closely to recognize kinship with one of the world’s most important cultivated plants. And yet experts all agree that the genus teosinte is the ancestral form of all modern varieties of maize. Farmers in southwest Mexico began to select the progeny of teosinte plants that produced the most grains, and the tastiest grains, more than 9,000 years ago. Modern maize crops were cultivated in this way over the course of many generations and now maize is cultivated across all the continents. “We know that the appearance of the plants changed significantly during this time and, for example, the cobs have become much bigger and more prolific,” explains Prof. Dr. Frank Hochholdinger from the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) at the University of Bonn. “Up to now relatively little has been known, however, about how the root system developed over this period of domestication and afterwards.”
Roots in paper cigars
This has now changed thanks to the new study. Over the last eight years, the participating research groups have investigated around 9,000 varieties of maize and 170 varieties of teosinte around the world. The researchers collected seeds and placed them onto special brown paper, which was then rolled into a cigar shape and stored upright in narrow glass beakers. “Around 14 days after germination, we unrolled the paper so that we could observe the early development of the roots without the interference of any soil adhered to them,” says Hochholdinger. In cooperation with a research group headed by Dr. Robert Koller (Forschungszentrum Jülich), the researchers also studied root growth in soil. They used a method that is more commonly known from the field of medicine for this purpose – magnetic resonance imaging.
The results showed how the root structure has radically changed during the domestication of teosinte to cultivated maize. “In the maize varieties, we often find seminal roots shortly after germination – with as many as ten or more of these roots in some varieties,” explains Dr. Peng Yu, who is head of an Emmy Noether research group at INRES and has recently accepted the offer of a professorship at TU Munich. “This is not the case with teosinte.” Seminal roots give the seedlings an initial advantage under optimal conditions: They enable them to absorb large amounts of nutrients from the soil very rapidly. “However, we noticed that another type of root – the lateral roots – suffer as a consequence,” says Yu.
Lateral roots are especially important for the uptake of water because they greatly enlarge the root surface. This is probably the reason why the number of seminal roots varies considerably depending on the variety: Maize varieties that have adapted to dry conditions grow significantly fewer seminal roots and more lateral roots. When breeding these varieties, farmers in the past were unknowingly selecting plants that have led to the development of this root structure.
160 candidate genes identified
The researchers also investigated which genetic material was responsible for the growth of seminal roots and were able to identify more than 160 candidate genes. “We then studied one of these genes named ZmHb77 in more detail,” says Hochholdinger. “We noticed that plants with this gene grew more seminal and at the same time fewer lateral roots.”
The researchers deliberately switched off this gene in some plants and were able to change the root structure so that they could better tolerate periods of drought. “This gene is thus important for breeding drought-tolerant varieties,” explains the researcher. “In view of climate change, these varieties will become increasingly important if we want to avoid more and more crop failures in the future.”
Successful international cooperation
The study is also a good example of successful international cooperation: Researchers from 20 different research groups participated in the work. “The cooperation with the research group headed by Tianyu Wang at the Chinese Academy of Agricultural Sciences was especially important,” emphasizes Hochholdinger. “He investigated countless varieties of maize that are cultivated in different regions throughout China. On the other hand, the work to analyze which genes frequently occur in which regions was carried out by our US partners from Pennsylvania State University. Among other things, the researchers there used a special simulation software to investigate the role played by the availability of water.”
Sponsorship
The following institutions participated in the study: University of Bonn, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Pennsylvania State University (USA), Southwest University Chongqing (China), Institute of Natural Resources and Agrobiology of Seville (Spain), Pablo de Olavide University (Spain), Forschungszentrum Jülich, Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, University of Florida (USA), University of Bologna (Italy), Technical University of Munich, UCLouvain (Université catholique de Louvain/Belgium), China Agricultural University and Iowa State University (USA).
The research was funded by, among others, the German Research Foundation (DFG), the National Science Foundation (NSF), the National Key Research and Development Program of China and the U.S. Department of Agriculture.
Publication
Peng Yu et al.: Seedling root system adaptation to water availability during maize domestication and global expansion; Nature Genetics; DOI: 10.1038/s41588-024-01761-3, URL: https://www.nature.com/articles/s41588-024-01761-3
Wurzel als Schlüssel zu dürretoleranterem Mais - Studie unter Federführung der Universität Bonn analysiert weltweit 9.000 Maissorten
Mais kommt mit sehr unterschiedlichen Standortbedingungen zurecht. Eine internationale Studie unter Federführung der Universität Bonn zeigt nun, welche wichtige Bedeutung dabei sein Wurzelsystem spielt. Die Forscherinnen und Forscher haben darin mehr als 9.000 Sorten analysiert. Dabei konnten sie zeigen, dass sich die Wurzeln stark unterscheiden - je nachdem, wie trocken der Standort ist, für den die jeweilige Sorte gezüchtet wurde. Sie konnten zudem ein wichtiges Gen identifizieren, dass bei dieser Anpassung eine Rolle spielt. Möglicherweise ist es ein Schlüssel für die Entwicklung von Sorten, die mit dem Klimawandel besser zurechtkommen. Die Ergebnisse sind nun in der renommierten Zeitschrift Nature Genetics erschienen.
Die US-Karte zeigt: - Je trockener eine Region, desto geringer ist bei den dort angebauten Maissorten im Schnitt die Zahl der Seminalwurzeln (schwarze Zahl; die Tortendiagramme zeigen in gelb den Anteil der Sorten mit bis zu einer Seminalwurzel, in grün mit bis zu drei Seminalwurzeln und in blau mit mehr als drei Seminalwurzeln). © Abbildung: AG Hochholdinger/Uni Bonn
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Die Pflanze ist buschig, mit weit verzweigten Stängeln. Den Achseln ihrer länglichen Blätter entspringen fingerlange Ähren. Jede von ihnen besteht aus einem Dutzend steinharter Körner.
Um ihre Verwandtschaft mit einer der weltweit wichtigsten Kulturpflanzen zu erkennen, muss man schon genau hinschauen. Und dennoch sind sich Experten einig, dass die Gattung Teosinte die Urform sämtlicher heutiger Maissorten ist. Vor mehr als 9.000 Jahren begannen Bauern im Südwesten Mexikos damit, aus den Nachkommen von Teosinte-Pflanzen gezielt diejenigen auszuwählen, die die schmackhaftesten und meisten Körner lieferten. Im Laufe vieler Zuchtgenerationen entstand so die moderne Maispflanze, die sich über alle Kontinente verbreitete. „Wir wissen, dass sich das Aussehen der Pflanzen in dieser Zeit stark veränderte und zum Beispiel die Kolben größer und ertragreicher wurden“, erklärt Prof. Dr. Frank Hochholdinger vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn. „Wie sich das Wurzelsystem im Laufe der Domestikation und später wandelte, war bislang aber kaum bekannt.“
Wurzeln in Papier-Zigarren
Die neue Studie ändert das. In den vergangenen acht Jahren haben die beteiligten Arbeitsgruppen rund 9.000 Mais- und 170 Teosinte-Sorten rund um den Globus untersucht. Dazu werden Samen auf braunem Spezialpapier gelegt, das dann zu zigarrenähnlichen Gebilden gerollt und aufrecht in schmale Bechergläser gestellt wird. „Etwa 14 Tage nach der Keimung entrollen wir das Papier und können dann ohne störende Erdanhaftungen das Wachstum der frühen Wurzeln nachvollziehen“, sagt Hochholdinger. Zusätzlich haben die Forschenden in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Dr. Robert Koller (Forschungszentrum Jülich) das Wurzelwachstum auch im Boden untersucht. Dabei nutzten sie ein Verfahren, das man eigentlich aus der Medizin kennt - die Magnetresonanztomographie.
Die Ergebnisse zeigen, wie sehr sich der Wurzelaufbau im Laufe der Domestikation von Teosinte zu Kulturmais verändert hat. „Bei Mais finden wir kurz nach der Keimung oft sogenannte Seminalwurzeln - bei manchen Sorten zehn oder mehr“, erklärt Dr. Peng Yu, Emmy Noether Gruppenleiter am INRES, der inzwischen einen Ruf auf eine Professur an die TU München angenommen hat. „Bei Teosinte ist das nicht der Fall.“ Seminalwurzeln geben dem Keimling unter optimalen Bedingungen einen Startvorteil: Sie ermöglichen es ihm, sehr rasch große Mengen von Nährstoffen aus der Erde zu erschließen. „Allerdings haben wir festgestellt, dass darunter die Bildung eines anderen Wurzeltyps leidet - der sogenannten Seitenwurzeln“, sagt Yu.
Diese Seitenwurzeln sind aber für die Wasseraufnahme besonders wichtig, weil sie die Wurzeloberfläche stark vergrößern. Das ist vermutlich auch der Grund dafür, warum die Zahl der Seminalwurzeln je nach Sorte sehr unterschiedlich ist: Sorten, die an trockene Gebiete angepasst sind, bilden deutlich weniger Seminal- und dafür mehr Seitenwurzeln. Bei der Weiterentwicklung dieser Sorten haben die Züchter in der Vergangenheit unbewusst auf diesen Wurzelaufbau hin selektiert.
160 Kandidatengene identifiziert
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben auch untersucht, welche Erbanlagen für die Bildung der Seminalwurzeln verantwortlich sind. Dabei konnten sie mehr als 160 Kandidatengene identifizieren. „Eines davon mit der Bezeichnung ZmHb77 haben wir genauer analysiert“, sagt Hochholdinger. „Dabei haben wir festgestellt, dass Pflanzen mit diesem Gen mehr Seminal- und zugleich weniger Lateralwurzeln bildeten.“
Die Forschenden schalteten die Erbanlage in bestimmten Pflanzen gezielt aus. Dadurch änderte sich ihr Wurzelaufbau, so dass sie Dürrezeiten erheblich besser überstanden. „Das entsprechende Gen ist daher für die Herstellung trockentoleranter Arten interessant“, erklärt der Wissenschaftler. „Diese werden in Anbetracht des Klimawandels immer wichtiger, wenn wir nicht in Zukunft verstärkt unter Ernteausfällen leiden wollen.“
Gelungene internationale Kooperation
Die Studie ist auch ein Beispiel für eine gelungene internationale Kooperation: Insgesamt waren Forscherinnen und Forscher aus 20 verschiedenen Arbeitsgruppen an den Arbeiten beteiligt. „Besonders wichtig war die Zusammenarbeit mit der Gruppe um Tianyu Wang von der Chinesischen Akademie für Agrarforschung“, betont Hochholdinger. „Sie hat zahllose Maissorten untersucht, die in den unterschiedlichen Regionen Chinas angebaut werden. Die Analyse, welche Gene in welchen Regionen gehäuft vorkommen, verdanken wir dagegen unseren US-Partnern von der Pennsylvania State University. Dort hat man unter anderem mit einer speziellen Simulationssoftware untersucht, welche Rolle die Wasserverfügbarkeit dabei gespielt hat.“
Förderung
An der Studie waren die Universität Bonn, die Chinese Academy of Agricultural Sciences, die Pennsylvania State University (USA), die Southwest University Chongqing (China), das Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (Spanien), die Universidad Pablo de Olavide (Spanien), das Forschungszentrum Jülich, das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, die University of Florida (USA), die Universität Bologna (Italien), die Technische Universität München, die Université catholique de Louvain (Belgien), die China Agricultural University und die Iowa State University (USA) beteiligt.
Die Arbeiten wurden unter anderem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), die National Science Foundation (NSF), das National Key Research and Development Program of China und das U.S. Department of Agriculture gefördert.
Publikation
Peng Yu et al.: Seedling root system adaptation to water availability during maize domestication and global expansion; Nature Genetics; DOI: 10.1038/s41588-024-01761-3, URL: https://www.nature.com/articles/s41588-024-01761-3
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