Chinesische Wissenschaftler lösen das Rätsel der „Vermählung" zwischen asiatischem und afrikanischem Reis und beenden jahrzehntelange Probleme in der Züchtungsforschung
de.wedoany.com-Bericht: Warum erzeugen Kreuzungen zwischen asiatischem Kulturreis und afrikanischem Kulturreis Nachkommen mit stark reduzierter Pollenfertilität sowie leeren und spärlichen Rispen? Dieses Rätsel, das die Züchtungsforschung seit Jahrzehnten beschäftigt, wurde mit der Online-Veröffentlichung eines wichtigen Artikels in der internationalen Fachzeitschrift „Science" am 28. gelüftet: Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wan Jianmin, Akademiker der Chinesischen Akademie für Ingenieurwissenschaften, entdeckte in Kreuzungspflanzen aus asiatischem und afrikanischem Kulturreis ein präzises genetisches Konfliktsystem, das aus drei Genen besteht und zur Pollensterilität bei Reis führt. Dies deckt erstmals den molekularen Mechanismus der reproduktiven Isolation zwischen diesen beiden Reisarten auf und liefert eine wichtige theoretische Grundlage sowie Keimplasma-Ressourcen für die Züchtung neuer, ultra-hochproduktiver asiatisch-afrikanischer Hybridreissorten.
In der „Familie" des Reises sind nur der asiatische Kulturreis und der afrikanische Kulturreis vom Menschen domestiziert und angebaut worden. Wissenschaftler hoffen, diese beiden Reisarten zu „vermählen", um neue Reissorten zu züchten, die sowohl ertragreich als auch robust sind. Jedoch weisen die Nachkommen aus Kreuzungen zwischen asiatischem und afrikanischem Kulturreis eine äußerst geringe Pollenviabilität und einen stark reduzierten Samenansatz auf, was den Austausch und die Rekombination vorteilhafter Gene sowie die Nutzung der Heterosis zwischen den Arten blockiert.
Was genau führt dazu, dass „1+1<2" ist? Nach 18 Jahren intensiver Forschung entschlüsselte das Team den molekularen Mechanismus des Genortes RHS3 auf Chromosom 3 in Kreuzungspflanzen aus asiatischem und afrikanischem Kulturreis.
Phänotypen von Pflanzen, Pollen und Ährchen des asiatischen Kulturreises, des afrikanischen Kulturreises und ihrer Hybride F1. Foto: Forschungsteam
He Xiaodong, Doktorand an der Nanjing Agricultural University und einer der Erstautoren der Studie, erklärte, dass der RHS3-Genort aus den Genen ORF10, ORF16 und ORF4 besteht, die ein genetisches Konfliktsystem bilden. Dabei wirkt das von ORF10 kodierte Protein wie ein „Speer", der die für die Energieversorgung des Reises zuständigen Mitochondrien zerstört und den Pollen abtötet; das von ORF16 kodierte Protein fungiert wie ein „Schild", das mit dem „Speer" interagiert, dessen Schadwirkung neutralisiert und die normale Entwicklung von Embryosack und Pollen schützt; das von ORF4 kodierte Protein wirkt wie eine „Rüstung", die als pflanzenspezifischer selektiver Autophagie-Rezeptor durch Interaktion mit dem „Schild" einen „Speer-Schild-Rüstung"-Komplex bildet, der den „Speer" in die „Recyclingstation" der Zelle – das Autophagosom – zur Degradation bringt und so gezielt den Embryosack schützt.
Bemerkenswert ist, dass der afrikanische Kulturreis über das vollständige „Speer-Schild-Rüstung"-Set verfügt, während der asiatische Kulturreis nur eine „Rüstung" besitzt. Dies führt dazu, dass ihre hybriden Nachkommen zwei Arten von Pollen produzieren: Eine Art erbt das vollständige „Speer-Schild-Rüstung"-Set und bleibt unbeschadet; die andere Art erbt nur die „Rüstung", aber nicht den „Schild", und wird daher vom „Speer" angegriffen und wird steril, was letztlich zur Halbsterilität des Hybridpollens führt.
„Diese Entdeckung zeigt erstmals den molekularen Mechanismus, durch den selektive Autophagie an der reproduktiven Isolation zwischen Pflanzenarten beteiligt ist, nämlich dass ORF4 ein pflanzenspezifischer selektiver Autophagie-Rezeptor ist, der direkt den Abbau von ORF10 über Autophagie induzieren und so die reproduktive Isolation zwischen den Arten regulieren kann", sagte Wang Chaolong, Professor an der Nanjing Agricultural University und einer der korrespondierenden Autoren der Studie.
Noch wichtiger ist, dass das Forschungsteam ein Breitkompatibilitäts-Keimplasma identifiziert hat, bei dem der „Schild" funktional ist, während der „Speer" seine Aktivität verloren hat. Kreuzungen dieses Keimplasmas sowohl mit asiatischem als auch mit afrikanischem Kulturreis können die durch den RHS3-Genort verursachte Fertilitätsminderung wirksam überwinden. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler einen „Schlüssel" zur Überwindung der reproduktiven Isolation gefunden haben, der einen technischen Weg und Keimplasma-Ressourcen für die Nutzung der Heterosis aus entfernten Kreuzungen zwischen asiatischem und afrikanischem Kulturreis bietet.
Wan Jianmin erklärte, dass das Team als Nächstes die Forschung zu mehreren Hybridsterilitäts-Genorten bei Reis vertiefen werde, um bald neue, ultra-hochproduktive Reissorten aus entfernten Kreuzungen zu entwickeln, die in die Produktion gehen können.
