Die geheime Geschichte des Mais wird in seinem Genom enthüllt
Der Mensch passt sich durch Sprache und Kultur an, indem er sein Wissen von einer Generation an die nächste weitergibt. Maispflanzen können nicht sprechen, also lösen sie das Problem der Anpassungsfähigkeit auf andere Weise: Sie verwenden "springende Gene", um die genetischen Karten über Generationen hinweg neu zu mischen. Springende Gene - heute Transposons genannt - wurden in den 1940er Jahren von der Genetikerin Barbara McClintock vom Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) entdeckt, die mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Jahrzehnte später bauen CSHL-Wissenschaftler immer noch auf ihrer Arbeit auf. Doreen Ware, Hilfsprofessorin am CSHL und Forscherin am US-Landwirtschaftsministerium (USDA), und ihre Kollegen veröffentlichten in der Fachzeitschrift Science die Genomsequenzen von 26 verschiedenen Maisstämmen. Die Genome beschreiben einen großen Teil der genetischen Vielfalt moderner Maispflanzen, darunter Transposons und Gene, die erwünschte Pflanzeneigenschaften regulieren.
Diese Maisähre wurde vor Jahrzehnten von der Genetikerin Barbara McClintock, Nobelpreisträgerin am Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), angebaut und analysiert. Aus ihren Beobachtungen schloss sie, dass Teile des Maisgenoms von einem Ort zum anderen springen und so eine große genetische Vielfalt erzeugen - in diesem Fall viele verschiedene Farben der Körner. Forscher des CSHL erweiterten ihre Arbeit, indem sie die Genome mehrerer Maisstämme sequenzierten und sogar die beweglichen Teile des Genoms kartierten.
CSHL Library & Archives
Die CSHL-Professorin und USDA-Forschungswissenschaftlerin Doreen Ware in einem Maisfeld auf der Uplands Farm des CSHL.
Ware lab/CSHL
Mais wurde gezüchtet, um in verschiedenen Klimazonen der Welt zu wachsen, von gemäßigten bis zu tropischen Klimazonen und vom Hochland bis zum Tiefland. sagt Ware:
"Der Mensch hat ein Gehirn. Unsere wichtigste Anpassungskomponente ist unsere Fähigkeit, Kultur und Wissen weiterzugeben, nicht wahr? Und so gehen wir mit unserer Umwelt um. Die Strategie der Pflanzen besteht darin, ein flüssiges Genom zu haben. Sie haben eine sehr enge Beziehung zu diesen Transposons, die sie nutzen, um neue genetische Vielfalt einzubringen, damit sie mit diesen Ereignissen umgehen können, denn sie können nicht weglaufen. Sie werden nicht ins Haus gehen, und sie werden kein Wasser zu ihnen transportieren."
Ware und ihre Kollegen, zu denen auch der CSHL-Professor und HHMI-Forscher Rob Martienssen und der CSHL-Professor W. Richard McCombie gehören, haben 2009 das erste Maisgenom kartiert und sind seitdem dabei, Lücken zu schließen. Wie bei einer kontinentalen Landschaft gibt es auch bei Genomkarten Bereiche, die voller Merkmale sind (wie gut kartierte Städte), während andere eher einer Wüste gleichen (weitläufig und unerforscht). Mit Hilfe neuester Techniken konnte das Wissenschaftlerteam schwierige Abschnitte des Genoms kartieren, sogar die Wüsten. Diese vollständigen Genome ermöglichen es den Forschern, sowohl wichtige Pflanzengene als auch die nahegelegenen Regionen, die ihre Nutzung regulieren, zu lokalisieren und zu untersuchen. Ware merkt an: "Wir hatten zuvor kaum Zugang zur regulatorischen Architektur von Mais".
Die neue Sammlung zeigt, wie das Maisgenom im Laufe der Zeit umgestaltet wurde. sagt Ware:
"Diese Genome liefern uns einen Fußabdruck dieser Lebensgeschichte. Verschiedene Stämme haben unterschiedliche Umgebungen erlebt. Einige kamen beispielsweise aus tropischen Umgebungen, andere wurden von bestimmten Krankheiten heimgesucht, und all diese Selektionsdrücke hinterlassen einen Fußabdruck dieser Geschichte."
Mais ist eines der am meisten verbreiteten landwirtschaftlichen Grundnahrungsmittel der Welt: Von 2018 bis 2019 werden in den USA mehr als 366 Millionen Tonnen angebaut. Mit detaillierteren Karten des Maisgenoms haben Wissenschaftler einen Vorsprung bei der Entwicklung von Nutzpflanzen für ein sich rasch veränderndes Klima. Ware erklärt: "Der Mittlere Westen wird in zwanzig Jahren nicht mehr das gleiche Temperaturprofil haben. Die Genome bieten einen umfassenderen Einblick in die Maisgenetik, und dies wiederum kann genutzt werden, um den Mais für den Anbau in zukünftigen Umgebungen zu optimieren".
An dem Projekt waren Forscher des CSHL, des USDA, der University of Georgia, der Iowa State University, der University of Minnesota und von Corteva Agriscience beteiligt. Die neue Sammlung von Genomen ist online verfügbar unter http://maize-pangenome.gramene.org/.
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