Kiel, Germany
May 17, 2012
German and Swedish research groups at Kiel University and Umeå Plant Science Centre have identified the long-sought bolting gene B in the sugar beet crop. The gene called BvBTC1 determines if and when a beet plant will flower. Early flowering has the undesired effect of terminating the root growth of the beet which can limit the sugar beet yields worldwide. The new findings allow seed producers to improve cultivation efficiency by minimising yield reducing seed contaminations and help breeders to develop novel cultivars with larger beets. These results from more than five years of intensive cooperation with the industrial research partners Syngenta, Strube, SESVanderHave and KWS were published online on 17 May in the journal Current Biology.
Bildunterschrift: Die Zuckerrübe (links), eine normal wachsende Zuckerrübenpflanze (Mitte) und eine schossende Pflanze (rechts).
Copyright/Foto: Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung/Nina Pfeiffer und Bianca Büttner
Sugar beet is an economically important crop in Europe. Unlike in cereals, we do not harvest the seeds that develop after blossoming, but instead use the thickened roots which store large amounts of sugar. It is undesirable for farmers that a sugar beet flowers, as flowering ends the development of a storage root. The wild ancestor of the sugar beet, the so-called sea beet, often blossoms in the first year of growth and does not produce a beet at all. By contrast, the domestic sugar beet builds up a large beet which is harvested before it would blossom during the second year.
In Europe, sugar beet is normally grown from spring to fall. If it was planted already before winter, it would flower after winter and only develop small roots, because low temperatures are a flowering signal to the plant. “It was obvious that there was a genetic difference between the early flowering beets which occur in the wild and domesticated sugar beets, with tremendous implications for agricultural use", says Andreas Müller, principal investigator at the Plant Breeding Institute in Kiel[AM1] . We wanted to know which difference that is, how it evolved, and whether we could use the underlying gene to control flowering and thus increase sugar yield.
First, the scientists grew thousands of plants and analyzed their DNA to identify the location of the so-called bolting gene. Then they compared the genes at this location with the genetic sets of other plants. “We expected to find a similar gene as in the commonly studied Arabidopsis thaliana plant, but surprisingly we found a completely different one”, says Pierre Pin, doctoral student at Umeå Plant Science Centre. The next step, he adds, was to verify the gene’s function in an experiment in which this gene was inactivated in sugar beets by genetic engineering. The plants did not flower. “This flowering experiment was the final proof that we had identified the bolting gene of sugar beets”, Pin states. Professor Ove Nilsson of Umeå Plant Science Centre, who is the academic supervisor of Pin's PhD research, emphasises: “The characterization of the bolting gene B, now termed BvBTC1, and the finding that it has a key role in the regulation of flowering, is a major achievement both for the sugar industry and for flowering control research.”
Bildunterschrift: Schosser in einem Zuckerrübenfeld können den Ertrag nachhaltig schädigen.
Copyright/Foto: Umeå Plant Science Centre/Pierre Pin
Commercially produced seed mixtures frequently contain seeds that will blossom too early. They appear naturally and affect both current and future harvests on the contaminated field. “Now that we know the bolting gene, we can test seed mixtures for bad seeds before selling them, and farmers will get much better quality seeds”, says Thomas Kraft of Syngenta.
“Scientifically, the findings are groundbreaking, because the genetic mechanism controlling flowering in sugar beet differs from all other plants that have been examined so far”, continues Professor Christian Jung, director of the Plant Breeding Institute at Kiel University who initiated the research on the Kiel part of this project more than 12 years ago. The plant therefore has a high potential to become a new scientific model organism for plant growth and flowering control research similar to mice for cancer research. Moreover, these findings will be of major importance for breeders.
The research work in this joint project was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), the Swedish Research Council, the Swedish Governmental Agency for Innovation Systems, the China Scholarship Council, the UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council, The British Beet Research Organisation, and Südzucker. Project partners from Syngenta (Landskrona, Sweden), SESVanderHave (Tienen, Belgium), Strube (Söllingen, Germany), KWS (Einbeck, Germany), Broom’s Barn (Bury St. Edmunds, UK), the Max-Planck-Institute for Molecular Genetics in Berlin and Bielefeld University contributed to this work.
Neu identifiziertes Gen ermöglicht höhere Zuckerrübenerträge
Forschergruppen aus Deutschland und Schweden haben das lange gesuchte Schossgen B in Zuckerrüben identifiziert. Das Gen mit der Bezeichnung BvBTC1 bestimmt ob und wann genau die Pflanze blüht. Zu früh blühende Pflanzen bringen relativ kleine Rüben hervor und sind deshalb unerwünscht. Mit dem Forschungsergebnis der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Umeå Plant Science Centre kann die Zuckerrübenindustrie nun Saatmischungen verbessern und neue Sorten mit größeren Rüben züchten. Die Ergebnisse gehen auf über fünf Jahre Zusammenarbeit zurück, unter anderem mit den Unternehmen Syngenta, Strube, SESVanderHave und KWS. Sie werden am 17. Mai in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht.
Lange wurde das so genannte Schossgen der Zuckerrübe gesucht, denn die Zuckerrübe ist eine ökonomisch bedeutsame Anbaupflanze in Europa. Im Gegensatz zu Getreide, dessen oberirdischer Teil nach der Blüte und vollständigen Reife eingebracht wird, wird bei der Zuckerrübe der unter der Erde wachsende Teil, die verdickte Wurzel, geerntet. Diese enthält große Mengen an Zucker. Erzeuger versuchen, das Blühen der Pflanze zu verhindern, da dies das Ausbilden der zuckerspeichernden Wurzel beendet. Die Urpflanze der Zuckerrübe, die so genannte Wildbete, blüht oft in ihrem ersten Wachstumsjahr und entwickelt dadurch überhaupt keine Rübe. Die industriell verwendete Zuckerrübe bildet dagegen eine große Wurzel aus, die vor der generativen Phase in ihrem zweiten Wachstumsjahr geerntet wird.
Im klassischen Zuckerrübenanbau in Europa wird die Zuckerrübe vom Frühjahr bis zum Herbst angebaut. Würde sie bereits vor dem Winter gesät, würde die Rübe nach dem Winter blühen und nur kleine Wurzeln entwickeln, da niedrige Temperaturen der Pflanze ein Blühsignal geben. „Es war offensichtlich, dass es einen genetischen Unterschied zwischen der Wildbete und der Kulturpflanze gibt, der enorme Bedeutung für den landwirtschaftlichen Anbau hat“, erklärt Andreas Müller, federführender Forscher am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung in Kiel. “Wir wollten herausfinden, worin dieser Unterschied besteht und wie er evolutionär entstand. In einem zweiten Schritt wollten wir klären, ob wir das für das Schossen verantwortliche Gen dazu verwenden könnten, den Schosstrieb und damit den Ertrag zu kontrollieren.“
Am Anfang der Versuchsreihe pflanzten die Wissenschaftler tausende Zuckerrüben-Setzlinge und analysierten deren DNA. Dadurch konnte das Schossgen lokalisiert werden. Die Gensequenzen wurden anschließend mit denjenigen anderer Pflanzen verglichen. „Wir hatten erwartet, ein ähnliches Schossgen wie in der häufig untersuchten Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) zu finden. Erstaunlicherweise fanden wir jedoch ein völlig anderes Gen“, sagt Pierre Pin, Doktorand am Umeå Plant Science Centre. Der nächste Schritt sei es gewesen, die vermutete Funktion des Gens zu überprüfen. Dazu wurde in einem Experiment das in Frage kommende Gen mittels Gentechnik in der Zuckerrübe ausgeschaltet. Das Ergebnis: Die Pflanze blühte nicht. „Das war der Beweis. Wir hatten das Schossgen der Zuckerrübe identifiziert“, bekräftigt Pin. Pins Doktorvater Professor Ove Nilsson vom Umeå Plant Science Centre betont weiter: „Die Charakterisierung des Schossgens B, das jetzt mit der Bezeichnung BvBTC1 versehen wurde, ist ein Meilenstein sowohl für die Zuckerrübenindustrie als auch für die Erforschung des Blühverhaltens bei Pflanzen.“
Kommerziell produzierte Saatmischungen enthalten häufig Saatkörner, aus denen zu früh blühende Pflanzen hervorgehen. Das zieht nicht nur die derzeitige, sondern auch spätere Ernten in Mitleidenschaft. Der Grund ist, dass diese Schosser Samen aussetzen, die dann bis zu 20 Jahre keimfähig bleiben. Es ist aufwendig, diese so genannten Unkrautrüben zu entfernen. „Da wir jetzt das Schossgen identifiziert haben, können wir künftig überprüfen, ob unsere Mischungen früh blühende Saatkörner enthalten bevor wir sie in den Handel bringen“, erklärt Dr. Thomas Kraft, Leiter der Projektarbeiten bei Syngenta in Schweden.
„Wissenschaftlich gesehen sind diese Ergebnisse bahnbrechend, da die genetische Grundlage für den Schosstrieb bei der Zuckerrübe sich von allen anderen Pflanzen, die bisher untersucht wurden, unterscheidet“, ergänzt Professor Christian Jung. Der Leiter des Instituts für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung an der CAU hat dieses Projekt auf Kieler Seite vor mehr als zwölf Jahren angestoßen. Die Pflanze habe großes Potential, als wissenschaftliches Modell für die Erforschung von Pflanzenwachstum und Schosstriebkontrolle zu dienen – ähnlich wie Mäuse bei der Krebsforschung. Außerdem sind die Forschungsergebnisse für Züchter von herausragender Bedeutung.
Die Forschungsarbeit dieses Gemeinschaftsprojektes wurde finanziert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Schwedischen Forschungsrat, VINNOVA, dem China Scholarship Council (CSC), dem englischen Forschungsrat für Biotechnology und Biologische Wissenschaften (BBSRC) sowie Südzucker. Weitere Projektpartner waren Syngenta (in Landskrona, Schweden), SESVanderHave (in Tienen, Belgien), Strube (in Söllingen, Deutschland), KWS (in Einbeck, Deutschland), Broom’s Barn (Bury St. Edmunds, England), das Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Berlin und die Universität Bielefeld.
Originalpublikation:
Pin et. al (2012): The Role of a Pseudo-Response Regulator Gene in Life Cycle Adaptation and Domestication of Beet, Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2012.04.007
Topics
Species
