Wetenschappers maken gebruik van genetische mutatie om het veredelingsproces van planten te versnellen

Onderzoekers van de Iowa State University hebben mogelijk een al lang bestaande uitdaging opgelost die verband houdt met de versnelde ontwikkeling van zuivere genetische lijnen.

Het gebruik van "verdubbelde haploïde" (DH) genetica is een van de basistechnologieën geworden die ten grondslag liggen aan de moderne maïsveredeling. DH-technologie heeft echter zowel uitdagingen als voordelen. Ten eerste vereist het de creatie van "haploïde" planten die slechts één moederlijk genoom dragen. Het enkele genoom van de haploïde plant wordt vervolgens verdubbeld door een chemisch proces dat de ontwikkeling van genetisch zuivere inteeltlijnen versnelt.

Een van de grootste knelpunten van de DH-technologie is dat haploïde mannelijke bloemen meestal steriel zijn. Dit probleem vereist dat de zaailingen worden blootgesteld aan de giftige chemische stof colchicine, die de verdubbeling van het genoom stimuleert en de vruchtbaarheid van de mannelijke bloemen herstelt. Het proces is arbeids- en kostenintensief.

Recent gepubliceerd onderzoek in Natuur Planten deelt nieuws over een mutatie die de wetenschappers ontdekten en die de mannelijke vruchtbaarheid in haploïden herstelt zonder gebruik van colchicine. Het werk werd uitgevoerd door Siddique I. Aboobucker, onderzoeker in agronomie, met Thomas Lübberstedt, Frey Chair in Agronomy en directeur van het Raymond F. Baker Center for Plant Breeding, en voormalig student agronomie Liming Zhou.

Ze toonden aan dat het benutten van mutaties die de positionering van het spilmechanisme wijzigen tijdens de reproductieve fase van de plant, bekend als meiose, de mannelijke vruchtbaarheid van haploïde planten kan herstellen.

Het spilmechanisme helpt de celdeling op schema te houden. Tijdens normale meiose, in gewone "diploïde" planten die twee sets chromosomen bevatten, zijn de spindels gerangschikt in loodrechte paren die gemakkelijk op één lijn liggen. Bij haploïde planten zijn de chromosomen ongelijk verdeeld tijdens de celdeling, wat leidt tot hoge onvruchtbaarheid tijdens de volgende reproductiefasen.

Om dit probleem aan te pakken, had Aboobucker een inspiratie die volgens het team de moeite van het onderzoeken waard was. Ze veronderstelden dat een reeks genetische plantafwijkingen, bekend als parallelle spindelmutanten of "ps-mutanten", die de spindels tijdens meiose in een parallelle in plaats van loodrechte positie veranderen, de mannelijke vruchtbaarheid bij haploïden zou kunnen verbeteren. Ze testten het idee op Arabidopsis thaliana, een modelonderzoeksplant die vaak wordt gebruikt als voorloper voor het werk in maïs en verschillende andere gewassoorten.

Het werkte: de haploïde mutante planten groeiden en de meeste waren vruchtbaar. De resultaten ondersteunen hun idee dat de ongelijke opstelling van spindelvezels tijdens een kritieke fase van meiose bij de haploïde mannetjes kan worden overwonnen door gebruik te maken van de neiging van de mutanten om een ​​meer horizontale as vorming.

"Het gebruik van deze mutatie om het mannelijke vruchtbaarheidsprobleem in haploïde planten te overwinnen, is een grote belofte om de resource-intensieve protocollen die momenteel van kracht zijn voor kunstmatige (chemische) genoomverdubbelingsmethoden om DH-lijnen te verkrijgen, te overwinnen," zei Lübberstedt.

Hij geeft de meeste eer aan Aboobucker, die het project leidde om een ​​oplossing te vinden voor deze langdurige puzzel van mannelijke haploïde onvruchtbaarheid.

"Ik begin te beseffen dat dit een groot probleem is," zei Aboobucker. "De reacties van collega's over de hele wereld sinds ons artikel vorige maand werd gepubliceerd, waren een beetje overweldigend."

Lübberstedt en Aboobucker geloven dat de gunstige mutaties die ze hebben geïdentificeerd - met enkele aanpassingen - kunnen worden toegepast op maïs en andere gewassen. Het verkennen van dit potentieel is een van de volgende projecten aan hun horizon.