Gen-Kandidaten für höhere Produktivität entdeckt

Heutzutage dominieren Hybridrapssorten den Saatgutmarkt, aufgrund ihres höheren Ertragspotenzials und ihrer besseren Ertragsstabilität. Es gibt fortlaufende Bemühungen, die Produktivität moderner Rapspflanzen zu erhöhen und neue, verbesserte Sorten zu entwickeln. Eine der Herausforderungen ist es, die genetische Basis der komplexen Pflanzeneigenschaften zu verstehen. Sie bestimmt die Vitalität der Rapspflanze in Form von Größe, Blattfläche und Biomasse mit.

Mit dem Bestreben Licht in dieses Dunkel zu bringen, hat eine Gruppe Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben in Zusammenarbeit mit der Justus-Liebig Universität Gießen und den Pflanzenzuchtunternehmen NPZ und DSV genomweite Assoziationsstudien (GWAS) verwendet, um „Quantitative Trait Loci“ (QTL) zu identifizieren.
GWAS ist eine statistische Methode, mit der die Merkmalsausprägung (zum Beispiel die Blattfläche) mit Erbgutinformationen verknüpft werden, um die genetische Basis komplexer Eigenschaften aufzudecken.

Vorangegangene Studien hatten GWAS in Raps angewandt, um Gene für agronomisch bedeutsame Eigenschaften - wie den Samenertrag - zu einem bestimmten Zeitpunkt zu identifizieren. In der aktuellen Studie schlüsselten die Forscher die Beziehung zwischen Erbmaterial und Merkmalsausprägung mit einer hohen zeitlichen Auflösung auf. Das bedeutete, dass die Pflanzenphänotypen für mehrere Wochen täglich festgehalten wurden, anstatt nur einmal aufgezeichnet zu werden.

Die Wissenschaftler nutzten das automatisierte nicht-invasive Pflanzen-Phänotypisierungssystem für große Pflanzen des IPK. So wurden 477 verschiedene Rapslinien (jeweils mindestens 27 Pflanzen jeder Linie, insgesamt 14.256 Pflanzen) über 4 Wochen täglich fotografiert. Zusätzlich wurden das Frisch- und Trockengewicht der Pflanzen am Ende des Experiments bestimmt. Die von den Bildern gewonnenen phänotypischen Daten wurden zusammen mit den verfügbaren genetischen Markern im Rahmen einer genomweiten Assoziationsstudie analysiert.

Dank der hohen zeitlichen Auflösung der Daten konnten die Forscher dynamische Pflanzenwachstums-QTL-Muster im Raps aufdecken. So zeigten sie, dass die Eigenschaft “frühes Pflanzenwachstum” hochkomplex ist und von mehreren genetischen Loci geregelt wird, welche jeweils zu verschiedenen, kurzen Phasen aktiv sind. Diese Beobachtungen unterstreichen, wie wichtig es ist, die zeitlichen Muster genetischer Mechanismen in Pflanzen mit zu betrachten, wenn man die komplexen Einflüsse von Genen vollständig aufklären möchte.

Zusätzlich identifizierten die Wissenschaftler mehrere Kandidatengene für alle untersuchten Eigenschaften, von denen einige in der Meristementwicklung und Zellwandmodifikation mitwirken. Die Gene werden nun in Anschlussstudien weiter untersucht, sodass ihr Potenzial in zukünftigen Zuchtbestrebungen voll genutzt werden kann. Aktuell bilden die in dieser Studie identifizierten dynamischen QTL eine wertvolle Ausgangsbasis, mit der wir unser Wissen über das frühe Pflanzenwachstum und die Biomasseakkumulation in Raps erweitern können.