Bonn, Germany
January 18, 2018
Study the genes of maize: Prof. Dr. Frank Hochholdinger and Jutta Baldauf from the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) at the University of Bonn in a greenhouse. © Photo: Barbara Frommann/Uni Bonn
When two maize inbred lines are crossed with each other, an interesting effect occurs: The hybrid offspring have a significantly higher yield than either of the two parent plants. Scientists at the University of Bonn have now investigated a number of genetically distinct hybrids. They showed that the offspring had many more active genes than the original parents. These results may help in the cultivation of even higher-yielding maize varieties. They are published in the journal “Current Biology”.
Plant breeders have long known that crossbreeding of different inbred lines has a positive effect on the yield. However, the causes of this so-called “heterosis effect” are largely unclear. “For that reason we took a closer look at one specific inbred-hybrid combination a few years ago”, explains Prof. Dr. Frank Hochholdinger from the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) at the University of Bonn. “We were able to show that the hybrid offspring has many more active genes than its parents. But at that time we did not know if this applied just to this specific combination of parent plants, or if it was a general mechanism.”
In the present study, the scientists therefore examined not just one, but six different inbred-hybrid combinations. The parental inbred lines were distantly related and evenly distributed throughout the entire maize phylogenetic tree. This is almost like pairing a dachshund with a sheepdog, then a pug, and finally with a labrador.
“We have now analyzed which genes were transcribed in the original plants and which in the offspring”, explains Jutta Baldauf from INRES. “This confirmed the findings of our earlier work: The hybrids always contained a far larger number of active genes than their parents.”
Complementation makes maize more productive
Maize plants contain two variants of each gene, also known as alleles. One of these alleles comes from the female, the other from the male parent. They are often not equally active, with one variant being read more frequently than the other. Some alleles may even be completely turned off.
As the propagation of inbred lines means that they are self-pollinated over many generations, the two alleles of most of their genes are identical. This can lead to certain genes not being transcribed at all. However, these genes may be active in another inbred line. If these parent lines are now crossed with each other, active genes of one parent complement inactive genes of the other parent in the offspring.
“On average, we therefore count more active genes in the offspring”, explains Baldauf. And not just a few more: The scientists put the genetic gain at 500 to 600 additionally active genes on average. The genetic material of maize comprises around 40,000 genes in total. “The complementation of SPE genes, the abbreviation stands for “Single Parent Expression”, could be one of the factors why hybrids perform better than their parents”, says Prof. Hochholdinger.
Maize has many genes that have remained virtually unchanged for millions of years. These “old” genes are so important for the plant that mutations in them can dramatically affect plant performance. In contrast, most SPE genes developed later in the course of evolution. They do not take on vital key functions and can therefore be active in one maize inbred line, but not in another. Many of them belong to certain groups of so-called transcription factors. These are proteins that regulate the activity of other genes.
The results may facilitate the cultivation of better performing maize varieties in the medium term. “With SPE genes, we provide plant growers with genetic markers for this purpose”, emphasizes Hochholdinger. “It may be possible to choose specific hybridization partners on the basis of these markers, which could result in particularly high-yielding hybrids.” These are immensely important for the long-term nutrition of the increasing world population: Experts anticipate that agricultural yields have to increase by 70 percent by 2050. Maize is already the most productive crop at present; it therefore plays a particularly important role in nutrition.
Full bibliographic informationJutta A. Baldauf, Caroline Marcon, Andrew Lithio, Lucia Vedder, Lena Altrogge, Hans-Peter Piepho, Heiko Schoof, Dan Nettleton und Frank Hochholdinger: Single parent expression is a general mechanism that drives extensive complementation of non-syntenic genes in maize (Zea mays L.) hybrids; Current Biology, Band 28, 2018; DOI: 10.1016/j.cub.2017.12.027
In Hochleistungs-Mais sind mehr Gene aktiv
Wenn zwei Mais-Inzuchtlinien miteinander gekreuzt werden, stellt sich regelmäßig ein interessanter Effekt ein: Die Nachkommen sind deutlich ertragsstärker als jede der beiden Elternpflanzen. Wissenschaftler der Universität Bonn haben nun eine Reihe unterschiedlicher Kreuzungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass in den Nachkommen stets sehr viel mehr Gene aktiv waren als in den Ausgangs-Pflanzen. Die Ergebnisse können eventuell zur Züchtung noch ertragreicherer Maissorten beitragen. Sie erscheinen in der Fachzeitschrift „Current Biology“.
Dass sich die Kreuzung unterschiedlicher Inzuchtlinien positiv auf den Ertrag auswirkt, wissen Züchter schon lange. Über die Ursachen dieses so genannten „Heterosis-Effekts“ herrscht aber bislang weitgehend Unklarheit. „Wir haben uns daher vor einigen Jahren eine bestimmte Kreuzung genauer angesehen“, erklärt Prof. Dr. Frank Hochholdinger vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn. „Dabei konnten wir zeigen, dass bei den Nachkommen mehr Gene aktiv waren. Wir wussten aber damals nicht, ob das nur für diese spezifische Kombination von Elternpflanzen zutraf oder ob es sich um einen generellen Mechanismus handelt.“
In der vorliegenden Studie haben die Wissenschaftler daher nicht nur eine, sondern sechs verschiedene Kreuzungen unter die Lupe genommen. Bei den Elternpflanzen handelte es sich um Inzuchtlinien, die miteinander nur sehr weitläufig verwandt waren. Zudem waren sie gleichmäßig über den gesamten Mais-Stammbaum verteilt – das ist ungefähr so, als würde man einen Dackel einmal mit einem Schäferhund, dann mit einem Mops und schließlich mit einem Labrador verpaaren.
„Wir haben nun analysiert, welche Gene in den Ausgangspflanzen und welche in den Nachkommen abgelesen wurden“, erklärt Jutta Baldauf vom INRES. „Dabei bestätigte sich der Befund aus unseren früheren Arbeiten: In den durch die Kreuzungen entstandenen Hybriden waren stets weitaus mehr Erbanlagen aktiv als in ihren Eltern.“
Komplementation macht Mais ertragreicher
In Maispflanzen gibt es von jedem Gen zwei Varianten – Experten sprechen auch von Allelen. Eines dieser Allele stammt von dem weiblichen, das andere von dem männlichen Elternteil. Oft sind sie nicht gleich aktiv, sondern die eine Variante wird häufiger abgelesen als die andere. Manche Allele können sogar ganz abgeschaltet sein.
Da Inzuchtlinien zu ihrer Vermehrung über viele Generationen mit sich selbst gekreuzt werden, sind die Allele jedes ihrer Gene meist identisch. Das kann dazu führen, dass bestimmte Gene gar nicht abgelesen werden. Bei einer anderen Inzuchtlinie können diese Gene dagegen aktiv sein. Wenn man nun diese Elternlinien miteinander kreuzt, ergänzen sich in den Nachkommen die unterschiedlichen Allele beider Elternteile. Die inaktiven Gene im Genom der einen Linie werden also durch aktive Gene aus der anderen Linie aufgefüllt. Genetiker nennen das Komplementation.
„Im Schnitt zählen wir bei den Nachkommen daher mehr aktive Gene“, erklärt Baldauf. Und zwar deutlich mehr: Auf 500 bis 600 Erbanlagen beziffern die Wissenschaftler den genetischen Zugewinn im Schnitt. Insgesamt umfasst das Mais-Erbgut rund 40.000 Gene. „Die Komplementation der SPE-Gene – das Kürzel steht für „Single Parent Expression“, also 'Ausprägung nur bei einem Elternteil' – könnte neben anderen Faktoren dazu beitragen, dass Hybride leistungsfähiger als ihre Eltern sind“, sagt Prof. Hochholdinger.
Mais verfügt über zahlreiche Gene, die sich seit vielen Millionen Jahren praktisch unverändert erhalten haben. Diese „alten“ Gene sind für die Pflanze so wichtig, dass Mutationen in ihnen dramatische Auswirkungen haben können. Die SPE-Gene sind dagegen meist erst später im Laufe der Evolution entstanden. Sie übernehmen keine lebenswichtige Schlüsselfunktion; daher können sie auch in einer Maislinie aktiv sein, in der anderen dagegen nicht. Viele von ihnen gehören zu bestimmten Gruppen so genannter Transkriptions-Faktoren. Das sind Proteine, die ihrerseits die Aktivität anderer Gene beeinflussen.
Die Ergebnisse könnten mittelfristig die Züchtung leistungsfähigerer Maissorten erleichtern. „Mit den SPEs geben wir Pflanzenzüchtern dazu genetische Marker an die Hand“, betont Hochholdinger. „Auf Basis dieser Marker lassen sich eventuell gezielt Kreuzungspartner wählen, die besonders ertragreiche Hybride erwarten lassen.“ Diese sind für die langfristige Ernährung der steigenden Weltbevölkerung immens wichtig: Experten rechnen damit, dass die landwirtschaftlichen Erträge bis 2050 um 70 Prozent werden steigen müssen. Mais ist schon heute die ertragreichste Kulturpflanze; er spielt daher für die Ernährung eine besonders wichtige Rolle.
Topics
Species
