Mutation löst ein jahrhundertealtes Rätsel in der Meiose.

8. März 2024

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von der Pohang University of Science and Technology

Ein Hochdurchsatz-Gen-Screening von Mutanten mit Meiotik-Überkreuzungsraten in Arabidopsis thaliana hat ein jahrhundertealtes Rätsel des Lebens ergründet.

Ein Forschungsteam, bestehend aus Professor Kyuha Choi, Dr. Jaeil Kim und Doktorandin Heejin Kim vom Department of Life Sciences an der Pohang University of Science and Technology (POSTECH), hat den molekularen Mechanismus aufgedeckt, der für die Kreuzungsstörung während der Meiose verantwortlich ist, ein biologisches Muster auf chromosomaler Ebene.

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden am 20. Februar in Nature Plants veröffentlicht.

Bei sexuell reproduzierenden Organismen ähneln Individuen ihren Eltern oder Geschwistern. Trotz der auffälligen Ähnlichkeiten ist es wichtig zu erkennen, dass absolute Identität unerreichbar ist. Diese Variation wird auf den Vorgang der Meiose zurückgeführt, der reproduktive Zellen wie Spermien und Eizellen bei Tieren oder Pollen und Eizellen bei Pflanzen erzeugt. Im Gegensatz zur Zellteilung im Körper, die das Genom identisch dupliziert und teilt, erzeugt die Meiose genetisch vielfältige reproduktive Zellen durch einen Mechanismus, der als Kreuzung bekannt ist.

Meiose und Kreuzung spielen eine entscheidende Rolle bei der Biodiversität und haben bedeutende Auswirkungen auf die Züchtung, bei der die Auswahl und Kultivierung überlegener Merkmale bei Nutzpflanzen erfolgt.

Typischerweise weisen die meisten Tier- und Pflanzenarten mindestens eine und höchstens drei Kreuzungen pro einem Paar homologer Chromosomen auf. Die Fähigkeit, die Anzahl dieser Kreuzungen zu kontrollieren, könnte zur Züchtung von Nutzpflanzen mit spezifischen gewünschten Merkmalen führen. Die Erreichung einer solchen Kontrolle war jedoch aufgrund des 'Phänomens der Kreuzungsstörung' herausfordernd.

Die Kreuzungsstörung, bei der eine Kreuzung die Bildung einer anderen Kreuzung in der Nähe entlang des gleichen Chromosoms hemmt, wurde erstmals von dem Genetiker von Obstfliegen Hermann J. Muller im Jahr 1916 identifiziert. Trotz der anhaltenden Bemühungen der Forscher seit der Entdeckung vor einem Jahrhundert sind es erst kürzlich die Mechanismen, die der Kreuzungsstörung zugrunde liegen, die begonnen haben, ihre Geheimnisse zu lüften.

In dieser Forschung nutzte das Team eine Hochdurchsatz-Methode zur fluoreszenten Samenauswertung, um direkt die Frequenz von Kreuzungen in Arabidopsis-Pflanzen zu messen. Durch ein genetisches Screening identifizierten sie eine Mutante namens hcr3 (hohe Kreuzungsraten 3), die auf genomischer Ebene eine erhöhte Kreuzungsraten aufwies.

Weitere Analysen zeigten, dass die erhöhten Kreuzungen bei hcr3 auf eine Punktmutation im J3-Gen zurückzuführen waren, das einen Co-Chaperon kodiert, das mit dem HSP40-Protein verwandt ist. Diese Forschung zeigte, dass ein Netzwerk, das HCR3/J3/HSP40 Co-Chaperon und das Chaperon HSP70, die Kreuzungsstörung und Lokalisierung kontrolliert, indem es den pro-Kreuzungsprotein HEI10 Ubiquitin E3-Ligase abbaut.

Die Anwendung genetischer Screening-Ansätze zur Aufdeckung des Kreuzungsstörungs- und Hemmungsweges hat erfolgreich ein jahrhundertealtes Rätsel in den Lebenswissenschaften gelöst.

Professor Kyuha Choi von der POSTECH erklärte: 'Die Anwendung dieser Forschung in der Landwirtschaft wird es uns ermöglichen, schnell vorteilhafte Merkmale anzuhäufen und somit die Zuchtzeit zu verkürzen. Wir hoffen, dass diese Forschung zur Züchtung neuer Sorten und zur Identifizierung nützlicher natürlicher Variationen beiträgt, die für wünschenswerte Merkmale wie Krankheits- und Umweltstressresistenz, verbesserte Produktivität und hochwertige Produktion verantwortlich sind.'

Journal-Informationen: Nature Plants

Bereitgestellt von: Pohang University of Science and Technology