Bremen, Germany
February 10, 2020
DNA ‘smuggling’ identified: Dr. Yanbo Mao, Professor Rita Groß-Hardt, and Dr. Thomas Nakel have considerably expanded the basic knowledge of plant reproduction with molecular genetic studies. - © Jonas Ginter / InnoWi
In a new molecular genetics study, Professor Rita Groß-Hardt and her team have shown that it is possible to ‘smuggle’ genetic information past ‘quality checkpoints’ within the reproduction process of plants. The discovery is of particular interest for agriculture of the future.
Father, mother, child: That is the classic reproduction strategy in nature, both for animals and for plants. However, since 2017, other rules apply in the plant world – it was in that year that the working group of the molecular biologist Rita Groß-Hardt demonstrated that plants can have three parents: one mother and two fathers. The team at the University of Bremen caused a real stir in the field with their research findings.
Now, the working group has produced a further significant paper with Dr. Yanbo Mao as the first author. The renowned British scientific journal eLife has just published their new study, in which it has been determined that plants are able to smuggle genetic material past DNA checkpoints. “Plant breeders aim to combine the good traits of two different plants by crossing them. This is called hybridization,” explains Rita Groß-Hardt. “However, hybridization has its limits: If both plants are only distantly related, the hybridization does often not work. It is similar to the animal world: A stag and a horse can also not reproduce together.”
DNA Quality Is Continually Checked
But who decides if plant hybridization works? “There are various points in plants where it is checked if the father’s genes are related closely enough to those of the mother,” explains the molecular biologist. “These barriers are not only located in the egg cell. What is far more critical is that the genetic material must pass through the surrounding nutritive tissue. This tissue carries out quality checks and verifies the DNA with respect to the number of chromosomes and the degree of kinship. If the father’s DNA does not pass this check, the seed dies.”
That is the normal turn of events. In 2017, the researchers from Bremen showed that more than one sperm cell can merge with an egg cell in rare cases. “This is called polyspermy,” according to Groß-Hardt. If the sperm cells come from two different fathers, the offspring has three parents.
“Sneaking” into the Next Generation
“What our team – above all Yanbo Mao – has found out is that whilst the DNA of the first father must pass through the quality checks of the nutritive tissue, the genetic material of the second father can be smuggled past this checkpoint.” Thus, polyspermy offers the chance to sneak paternal genetic material into the next generation.
The recent research findings not only expand the current knowledge of plant reproduction significantly but they may also have an effect on agriculture in the medium-term. “Our planet is changing quicker than we would like. Conventional plant breeding can no longer keep up with the extensive changes caused by climate change,” explains the researcher. “We urgently need plants with an increased resistance against dryness and heat. If we are able to bypass certain hybridization barriers thanks to our research and therefore make use of the positive traits of more distant species, that would be a contribution to the agricultural challenges of the future.”
Patent Registration in Europe, USA, and China
The verification of the described processes on a molecular genetic level is complex work because new procedures needed to be created for it. Rita Groß-Hardt’s working group developed a molecular biology tool with which the seed that held the genetic material of two fathers took on a different seed color than the ‘normal’ seed. This allowed for clear identification of the seed. The “Three-Parent-Hybridization” procedure, which was developed at the University of Bremen, has been filed for a patent in Europe, USA, and China. The InnoWi patent management agency was involved in the patent protection and commercialization of the scientific results.
Since 2015, the European Research Council (ERC) has funded Rita Groß-Hardt’s research. The ERC awarded the scientist the renowned “ERC Consolidator Grant”, which is endowed with approximately two million euros. She is extremely grateful for this. “The funding allows us to break new ground with our research.”
Further Information:
Yanbo Mao, Alexander Gabel, Thomas Nakel, Prisca Viehöver, Thomas Baum, Dawit Girma Tekleyohans, Dieu Vo, Ivo Grosse, Rita Groß-Hardt: "Selective egg cell polyspermy bypasses the triploid block", eLIFE 2019, DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.52976
Wenn Erbgut in die nächste Pflanzengeneration „geschmuggelt“ wird
Mit einer neuen aufsehenerregenden Studie ist dem Team um die Molekulargenetikerin Rita Groß-Hardt von der Universität Bremen der Nachweis gelungen, dass man im Reproduktionsprozess von Pflanzen Erbgut an „Qualitäts-Checkpunkten“ vorbeischmuggeln kann. Das Forschungsergebnis der Bremer Arbeitsgruppe ist unter anderem für die Landwirtschaft der Zukunft von hoher Relevanz, weil mit diesem Wissen künftig auch weiter entfernte Arten miteinander gekreuzt werden könnten.
Vater, Mutter, Kind: Das ist die klassische Fortpflanzungsstrategie in der Natur, sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen. Zumindest für die Pflanzenwelt gelten seit 2017 andere Regeln – denn in diesem Jahr wies die Arbeitsgruppe der Molekularbiologin Rita Groß-Hardt nach, dass Pflanzen drei Eltern haben können: eine Mutter und zwei Väter. Das Team der Universität Bremen hatte mit dem Forschungsergebnis für viel Aufsehen in der Fachwelt gesorgt.
Nun hat die Arbeitsgruppe mit Dr. Yanbo Mao als Erstautorin eine weitere bemerkenswerte Arbeit nachgelegt. Das angesehene britische Wissenschaftsjournal eLife hat soeben ihre neue Studie veröffentlicht, in der nachgewiesen wird, dass Pflanzen Erbgut an DNA-Kontrollpunkten vorbei schmuggeln können. „Pflanzenzüchter streben danach, die guten Eigenschaften von zwei verschiedenen Pflanzen durch Kreuzung zu vereinen. Man spricht dabei von Hybridisierung“, erläutert Rita Groß-Hardt. „Diese Hybridisierung hat aber Grenzen: Wenn die beiden Pflanzen nur entfernt miteinander verwandt sind, funktioniert die Kreuzung oftmals nicht. Das ist ähnlich wie in der Tierwelt, wo ein Hirsch und ein Pferd ja auch keine Nachkommen zeugen können.“
DNA-Qualität wird permanent überprüft
Doch wer entscheidet, ob es mit der Pflanzenkreuzung klappt? „In der Pflanze wird an verschiedenen Stellen überprüft, ob die Gene des Vaters verwandt genug mit denen der Mutter sind“, erklärt die Molekularbiologin. „Diese Barrieren liegen nicht nur in der Eizelle. Viel kritischer ist, dass das Erbgut auch durch das umgebende Nährgewebe muss. Dieses führt eine regelrechte Qualitätskontrolle durch und prüft die DNA hinsichtlich Chromosomenzahl und Verwandtschaftsgrad. Wenn die DNA des Vaters dieser Prüfung nicht standhält, stirbt der Same ab.“
Soweit der Normalfall. Die Forscherinnen und Forscher aus Bremen wiesen schon 2017 nach, dass in seltenen Fällen mehr als eine Spermazelle mit einer Eizelle verschmelzen kann. „Dann spricht man von Polyspermie“, so Groß-Hardt. Wenn die beiden Spermazellen von zwei verschiedenen Vätern kommen, haben die Nachkommen drei Eltern.
„Heimlich“ in die nächste Generation
„Was unser Team – allen voran Yanbo Mao – nun herausgefunden hat: Während die DNA des ersten Vaters durch die Qualitätskontrolle des Nährgewebes muss, kann das Erbgut des zweiten Vaters an diesem Kontrollpunkt vorbeigeschleust werden.“ Polyspermie bietet so die Möglichkeit, zusätzliches väterliches Erbgut förmlich „in die nächste Generation zu schmuggeln.“
Die aktuellen Forschungsergebnisse erweitern nicht nur in erheblichem Maße das Verständnis um die Fortpflanzung der Pflanzen – sie können mittelfristig auch Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben. „Unser Planet verändert sich schneller, als uns lieb sein kann. Die konventionelle Pflanzenzucht kommt mit den starken Veränderungen durch den Klimawandel nicht hinterher“, erläutert die Forscherin. „Wir benötigen dringend Pflanzen mit einer erhöhten Widerstandsfähigkeit beispielsweise gegen Trockenheit und Hitze. Wenn wir jetzt durch unsere Forschungsergebnisse einige Hybridierungsbarrieren umgehen und dadurch auch die positiven Eigenschaften von weiter entfernten Arten nutzbar machen können, wäre das ein Beitrag für die landwirtschaftlichen Herausforderungen der Zukunft.“ Mittlerweile kooperiert die Uni-Forschungsgruppe mit KWS SAAT SE & Co. KGaA, dem größten Saatguthersteller Europas.
Patentanmeldung für Europa, die USA und China
Der Nachweis der beschriebenen Vorgänge auf molekulargenetischer Ebene ist aufwändige Arbeit, weil dazu neue Verfahren kreiert werden mussten. Die Arbeitsgruppe von Rita Groß-Hardt entwickelte ein molekularbiologisches Werkzeug, bei dem der Same, der das genetische Material von zwei Vätern enthält, eine andere Samenfarbe annahm als der „normale“ Samen. So ließ er sich eindeutig identifizieren. Das an der Universität Bremen entwickelte Verfahren der „Drei-Eltern-Kreuzung“ wurde mittlerweile für Europa, die USA und China zur Patentierung eingereicht, wobei die bremische Patentverwertungsagentur InnoWi an der schutzrechtlichen Sicherung und Vermarktung der wissenschaftlichen Ergebnisse mitwirkte.
Gefördert werden die Forschungen von Rita Groß-Hardt schon seit 2015 durch den Europäischen Forschungsrat (englisch European Research Council / ERC). Er sprach der Wissenschaftlerin den mit rund zwei Millionen Euro ausgestatteten renommierten „ERC Consolidator Grant“ zu, für den sie sehr dankbar ist: „Diese Förderung erlaubt uns, mit unserer Forschung Neuland zu betreten.“
Weitere Informationen:
Yanbo Mao, Alexander Gabel, Thomas Nakel, Prisca Viehöver, Thomas Baum, Dawit Girma Tekleyohans, Dieu Vo, Ivo Grosse, Rita Groß-Hardt: „Selective egg cell polyspermy bypasses the triploid block“, eLIFE 2019, DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.52976
Zu dieser Veröffentlichung ist auch ein „Insight“ erschienen, in dem Kolleginnen und Kollegen der TU München die Bedeutung der Bremer Arbeit erklären und hervorheben. Nur wenige Paper werden für solche Insights ausgewählt. Der Begleitartikel ist hier abrufbar: https://doi.org/10.7554/eLife.54874
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