Forscher beginnen das Geheimnis der Hybridkraft zu lösen

Forscher beginnen das Geheimnis der Hybridkraft zu lösen

Video: Auf dem Mond entdeckten Wissenschaftler unbekanntes Material, können es aber nicht erklären (April 2020).

Anonim

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Hybride Kraft funktioniert, aber niemand versteht, wie. ISU-Pflanzenwissenschaftler haben einen Schlüssel zum Verständnis der komplexen molekularen Mechanismen dieses biologischen Prozesses entdeckt. Ihre Ergebnisse wurden in der Ausgabe vom 2. Mai des Proceedings der National Academy of Science veröffentlicht .

Seit fast 80 Jahren nutzen Maiszüchter und -produzenten die Hybridkraft, um ertragreiche Pflanzen anzubauen. Dieser biologische Prozess bleibt jedoch ein wissenschaftliches Rätsel. Niemand versteht wirklich, warum das Kreuzen bestimmter genetisch sehr unterschiedlicher Maislinien einen Hybrid hervorbringen kann, der beide Elternlinien übertrifft.

Dies könnte sich jedoch dank der laufenden Forschung am Plant Sciences Institute der Iowa State University ändern. Forscher haben einen Schlüssel zum Verständnis der komplexen molekularen Mechanismen der Hybridvitalität, auch als Heterosis bekannt, entdeckt, die die meisten Aspekte des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung beeinflusst. Sobald die Genaktivität hinter der Hybridvitalität bekannt ist, könnten die Wissenschaftler schneller Hybride herstellen, die dem Keimplasma die gewünschten Eigenschaften wie die Ethanolproduktion verleihen.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Patrick Schnable, Professor für Agronomie und Direktor des Zentrums für Pflanzengenomik, umfasst Dan Nettleton, außerordentlicher Professor für Statistik; und Doktoranden Ruth Swanson-Wagner, Yi Jia, Rhonda DeCook und Lisa Borsuk.

Ihre Forschung wird in der Ausgabe vom 2. Mai des Fachjournals Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht ("Alle möglichen Modi der Genwirkung werden in einem globalen Vergleich der Genexpression in einem Mais-F1-Hybrid und seinen Eltern beobachtet").

Für das zweijährige Experiment verwendeten die Forscher den Mais-F1-Hybrid und seine Inzucht-Eltern-Maislinien B73 und Mo17. Die F1 ist größer, reift schneller und produziert höhere Getreideerträge als beide Elternteile.

"Wir haben globale Muster der Genexpression in diesen drei Genotypen analysiert, da diese Hybride und ihre Verwandten im Maisgürtel weit verbreitet sind", sagte Schnable. "Auch die genetische Karte von Mais basiert auf rekombinanten Inzuchten, die aus diesem Hybrid entwickelt wurden."

Die Forscher züchteten Sämlinge der drei Genotypen in Wachstumskammern, um die Auswirkungen auf die Umwelt genau zu kontrollieren. Sie isolierten RNA von jedem der drei Genotypen und verwendeten einen Maisgenchip, um die Menge an RNA zu bestimmen, die sich für jedes Gen in jedem der drei Genotypen ansammelt.

"Wir haben diese Informationen zur Genexpression verwendet, um zu verstehen, wie sich jedes von Tausenden von Genen im genetischen Hintergrund verhält", sagte Schnable.

Mit Hilfe der Microarray-Technologie beobachteten die Forscher gleichzeitig die Aktivität von fast 14.000 Genen. Die Technologie ermöglichte es ihnen, gleichzeitig die Genexpression des Hybriden und seiner Inzuchteltern zu untersuchen. Dies ist die erste Studie, die sich mit Hybridkraft in einem derart großen Maßstab befasst.

Sie fanden heraus, dass einige Gene in der Hybride aktiver sind als in beiden Inzuchtlinien der Eltern (Überdominante), einige Gene weniger aktiv sind als beide Inzuchtlinien (Unterdominante) und die meisten Gene - 78 Prozent - Aktivitätsniveaus zwischen den Genen aufweisen Niveau der Inzucht (Additiv).

"Es wurden mehrere molekulare Modelle vorgeschlagen, um die Phänomene der Hybridvitalität zu erklären. Einige Modelle erfordern, dass Gene eine Über- oder Unterdominanz aufweisen. Andere gehen davon aus, dass die Genexpression von Über- und Unterdominanz keinen wichtigen Beitrag zur Hybridvitalität leistet", sagte Schnable.

Die Ergebnisse des Iowa State-Experiments stützen mehrere mechanistische Erklärungen für die Hybridkraft.

"Obwohl diese Forschung die Hybridkraft nicht erklärt, beginnt sie aufzudecken, was auf molekularer Ebene in einem Hybrid im Vergleich zu den Inzuchteltern passiert. Sie zeigt uns, dass mehrere molekulare Mechanismen am Werk sind und dass die Hybridkraft komplex ist", sagte Schnable .

"Um diesen wichtigen biologischen Prozess zu verstehen, müssen wir modernste Genomtechnologien mit hohem Durchsatz anwenden. Das Plant Sciences Institute im US-Bundesstaat Iowa ist eine der wenigen Organisationen des öffentlichen Sektors auf der Welt, die über die Technologie und die Ressourcen verfügt, die dafür erforderlich sind." diese Forschung durchführen ", sagte er.

Die Forschungsergebnisse bilden eine Grundlage für die Wissenschaftler des Staates Iowa, um bestimmte Gene von Interesse zu untersuchen oder die Beiträge der verschiedenen Mechanismen zu untersuchen, die zu den gefundenen Genexpressionsmustern führen. Ihr nächster Schritt besteht darin, die genetische Kontrolle der Überdominanz zu bestimmen.

"Letztendlich ist es wahrscheinlich, dass wir vorhersagen können, welche spezifischen Inzuchten bei der Kreuzung eine starke heterotische Reaktion hervorrufen würden. In großem Umfang ist dies nun eine Frage des Versuchs und Irrtums. Folglich können wir möglicherweise günstige Hybriden entwickeln schneller für weniger Kosten. Dies würde zu einem schnelleren genetischen Gewinn führen ", sagte Schnable.

Quelle: Iowa State University