Damit Wildreis kulturell wird, genügt eine einzige Mutation. • Alexander Markov • Science News zu "Elementen" • Genetik

Damit Wildreis kultiviert werden kann, genügt eine einzige Mutation

Zum ersten Mal wurde vor mehr als 6.000 Jahren Reis in Südostasien angebaut. Heute ist Reis das Hauptnahrungsmittel der Menschheit, es ernährt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung (Foto von www.sciencedaily.com)

Wie bei Weizen war der Schlüssel zur Domestizierung (Anbau) von Reis das Aufkommen einer Sorte mit nicht fallenden Samen, die es den alten Bauern ermöglichte, die Ernteverluste drastisch zu reduzieren. Wissenschaftler der Universität von Michigan (USA) haben den genetischen Hintergrund dieser Veranstaltung identifiziert. Das Auftreten von Kulturreis war auf den Ersatz einer einzelnen Aminosäure im regulatorischen Protein zurückzuführen, der die Bildung einer "Trennschicht" zwischen dem Korn und dem Stamm steuert.

Vorfahr des angebauten Reises (Oryza Sativa) gilt als eine wildwachsende Art mit fallenden Samen O. Nivara oder in der Nähe davon O. Rufipogon (oder vielleicht beides). Kürzlich wurde festgestellt, dass die Abszission von Samen von dem Gen abhängt, das den Codenamen erhalten hat sh4. Es wurde durch die Methoden der klassischen Genetik herausgefunden, wobei Wildreis mit Kulturreis gekreuzt wurde und die Anzahl der Nachkommen mit fallenden und nicht fallenden Samen in der ersten und zweiten Generation von Hybriden gezählt wurde. Für wilden Reis O. Nivara charakteristisches dominantes Allel dieses Gens, das fallenden Samen entspricht; rezessives Allel, das für selbst gemachten Reis charakteristisch ist, liefert nicht fallende Samen. Bisher war jedoch nicht bekannt, welche Funktion das von diesem Gen kodierte Protein hat und wie es die Abszission von Samen steuert.

Diesmal haben sich die Forscher das Ziel gesetzt, dieses Thema endlich zu klären. Das Überqueren verschiedener Reissorten und -sorten und die Analyse der quantitativen Verteilung verschiedener Kombinationen von Samenfall / -abfall mit anderen Merkmalen (genetische Marker) ermöglichten die Lokalisierung eines 1700-Nukleotid-DNA-Segments auf Chromosom 4, das die gewünschte Mutation (oder Mutantenkomplex zu dieser Zeit) trug. es war noch nicht bekannt).

Die nächste Stufe der Studie war die Sequenzierung (Bestimmung der Nukleotidsequenz) und der Vergleich dieses Teils des Genoms in Pflanzen mit fallenden und nicht-fallenden Samen. Es wurde gefunden, dass das Nichtfallen von Samen auf eine einzige Nukleotidsubstitution zurückzuführen war: Thymin (T) von Wildreis wurde durch Guanin (G) selbst ersetzt, was zum Ersatz der Lysinaminosäure durch Asparagin in dem entsprechenden Protein führte.

Das Protein selbst ist aufgrund seiner Aminosäuresequenz ein Transkriptionsfaktor (siehe auch "Die menschliche Evolution wurde von einer Veränderung der Aktivität von Regulatorgenen begleitet"), Artikel, 13.03.2006), das heißt seine Funktion ist es, die Aktivität einiger anderer Gene zu regulieren. Wissenschaftler waren nicht zu faul, dies experimentell zu überprüfen. Sie verwendeten Gentechnologie: an das Gen angehängt sh4 Gen von grün fluoreszierenden Proteinquallen und führte dieses Design in Pflanzenzellen ein. In den Zellen wurde das chimäre Gen in ein chimäres leuchtendes Protein übersetzt, und die Zellkerne wurden mit grünem Licht beleuchtet. Das hat das bestätigt sh4 kodiert einen Transkriptionsfaktor (oder zumindest eine Art Kernprotein), da Transkriptionsfaktoren, anders als die allermeisten anderen Proteine, im Zellkern konzentriert sind, wo sie die Arbeit von Genen regulieren und in anderen Teilen der Zelle nichts zu tun haben.

Die programmierte Trennung bestimmter Organe und Teile (z. B. reife Früchte oder abgestorbene Blätter) spielt eine wichtige Rolle im Pflanzenleben, aber die Mechanismen dieses Prozesses sind noch wenig verstanden.Es ist bekannt, dass üblicherweise an der Stelle, an der eine Trennung auftreten sollte, aus den Zellen einer speziellen Struktur eine "Trennschicht" gebildet wird. In Wildreis, zwischen Korn und Stängel, befindet sich eine abschnittsweise deutlich unterscheidbare "Trennschicht" aus kleinen dünnwandigen Zellen. In Kulturreis wird diese Schicht nur teilweise gebildet, so dass das Korn fest am Stiel haftet. Wissenschaftler haben überprüft, in welchen Teilen der Pflanze das Gen exprimiert wird (also läuft) sh4. Es stellte sich heraus, dass es nur dort funktioniert, wo die Trennschicht gebildet wird, während in anderen Teilen der Pflanze die Expression dieses Gens nicht nachgewiesen wird (in den Experimenten mit dem oben beschriebenen grün fluoreszierenden Protein war das Gen gezwungen, sich mit speziellen gentechnischen Tricks in den Wurzeln auszudrücken) ).

Um ihre Ergebnisse endlich zu bestätigen, führten die Wissenschaftler die "wilde" Version des Gens in das kultivierte Reisgenom ein. sh4 und waren überzeugt, dass dies zur Bildung einer normalen (dh vollständigen) Trennschicht führt.

Offensichtlich wurde die Domestizierung von Reis mit der Selektion von Pflanzen assoziiert, die die mutierte Version des Gens tragen sh4. Die Mutation hat das entsprechende Protein wahrscheinlich nicht vollständig deaktiviert, sondern nur leicht "verdorben", da sich ansonsten die Trennschicht überhaupt nicht bilden würde, was beim Dreschen zu großen Problemen führen würde. Offensichtlich spielten kleine Veränderungen in regulatorischen Genen eine wichtige Rolle bei der Domestizierung anderer Pflanzen, zumindest liegen die relevanten Daten für Mais und Tomaten bereits vor.

Quelle: Changbao Li, Ailing Zhou, Tao Sang. Reis-Domestizierung durch weniger Zerbrechen // Wissenschaft. 2006. V. 311. P. 1936-1939.

Alexander Markow


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