Pflanzliche Reproduktion

Identifizierung von 3-Eltern-Pflanzen in dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana

Es galt lange als unumst??licher Grundsatz, dass Organismen, die sich sexuell fortpflanzen, nicht 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 als zwei Elternteile haben. Tats?chlich ist die Befruchtung einer Eizelle durch 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育ere Spermien (Polyspermie) in vielen Organismen t?dlich. Bei Blütenpflanzen war die Polyspermie der Eizelle bis vor kurzem ein hypothetisches Konzept, da es keine molekulargenetischen Instrumente zur Identifizierung und Verfolgung von Polyspermieereignissen gab. Wir haben ein Hochdurchsatzverfahren zum Nachweis von Polyspermie entwickelt, mit dem wir feststellen konnten, dass pflanzliche Eizellen mit überz?hlige Spermien verschmelzen k?nnen, und dass sich daraus lebensf?hige polyploide Nachkommen entwickeln k?nnen. Darüber hinaus kann die Polyspermie zu Keimlingen mit einer Mutter und zwei V?tern führen. Unsere Ergebnisse zeigen zudem, dass Polyspermie ein Weg zur Erh?hung der Chromosomenzahl ist. Diese sogenannte Polyploidisierung gilt als wichtiger Mechanismus zur Bildung neuer Arten (Tekleyohans, Gro?-Hardt 2019) (Nakel et al. 2017).

Auswirkungen auf die Pflanzenzüchtung: 3-Eltern-Kreuzungen k?nnen Hybridisierungsbarrieren überwinden

Der so genannte triploid Block ist eine weit verbreitete postzygotische Hybridisierungsbarriere des Endosperms, welches als N?hrgewebe für den Embryo fungiert. Wir konnten zeigen, dass Polyspermie oftmals nur die Eizelle betrifft, wodurch der DNA Checkpunkt des Endosperms umgangen wird.
Unsere Entdeckung ist von zentraler wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedeutung angesichts der rasch voranschreitenden globalen Klimaerw?rmung und der wachsenden Weltbev?lkerung. Drei-Eltern-Kreuzungen k?nnen Zuchtprozesse beschleunigen und Hybridisierungsbarrieren umgehen. Damit k?nnen bisher nicht kompatible klimaresiliente Wildpflanzen für die Züchtung nutzbar gemacht werden. Zudem kann die Zeit bis zur Markteinführung klimaangepasster Saatgutsorten erheblich verkürzt werden (Nakel et al. 2020, Hater et al. 2020).

ECS1 und ECS2 regulieren die Polyspermie und unterdrücken die Bildung haploider Pflanzen durch F?rderung der Doppelbefruchtung

Wir haben die ersten molekularen Komponenten identifiziert, die die H?ufigkeit der Polyspermie regulieren: ECS1 und ECS2 kodieren für Endopeptidasen, und ein Funktionsverlust ist mit einem Befruchtungsdefekt, einer überz?hligen Pollenschlauchanlockung und einer erh?hten Polyspermiefrequenz verbunden. Interessanterweise induzieren ecs1-ecs2 Doppelmutanten auch Haploidie, ein agronomisch h?chst relevantes Merkmal (Mao et al. 2022).

EIN3 verhindert die Anlockung überz?hliger Pollenschl?uche und reguliert die Samengr??e

Bei blühenden Pflanzen werden die Samenzellen von Pollenschl?uchen geliefert, die von zwei Nachbarzellen der Eizelle, den sogenannten Synergiden, angelockt werden.  Eine erfolgreiche Befruchtung beendet die Anlockung der Pollenschl?uche. Wir haben gezeigt, dass durch die Befruchtung der Transkriptionsfaktor EIN3 aktiviert wird. Dieser induziert wiederum die Disintegration der Synergiden und tr?gt damit zum Stop der Pollenschlauchanlockung bei (V?lz et al. 2012). Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass EIN3 eine doppelte Rolle bei der Regulierung der Samengr??e spielt, einem Parameter, der den Ernteertrag entscheidend beeinflusst. Auf der Grundlage der Analyse 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育erer Ethylenbiosynthesemutanten konnten wir zeigen, dass EIN3 die Endosperm- und Samenentwicklung in einem durch Ethylen regulierten Signalweg unterdrückt. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass die durch EIN3 vermittelte Disintegration der Synergiden  die Expansion des Endosperms f?rdert. W?hrend die wachstumshemmende, ethylenabh?ngige EIN3-Wirkung offenbar von sporophytischem Gewebe kodiert wird, wird die…

Raum für Innovation

Roboter assistierte Hochgeschwindigkeitszüchtung

Der Klimawandel erfordert Pflanzen, die unter extremen Wetterbedingungen hohe Ertr?ge liefern. Dazu ist es notwendig, beschleunigte Züchtungsverfahren zu entwickeln, mit denen in neue Sorten hergestellt werden k?nnen. Ziel des Kooperationsvorhabens mit dem KMU Bock Bio Science ist es, mittels Gewebekultur und Automatisierung ein Methodenpaket zu entwickeln, welches schnelle Generationszyklen, künstliche Kultursystemen und eine verl?ssliche Erkennung von Drei-Eltern-Hybriden für Solanum tuberosum (Kartoffel) kombiniert. Neue Kultur- und Polyploidisierungsverfahren sowie die Programmierung lernf?higer Bilderkennungsalgorithmen werden im Vorhaben erforscht.

Kontakt

Dr. Thomas Nakel
nakel@uni-bremen.de
Telefon: +49 421 218 50202