Forskere avler tomatplanter, der indeholder det komplette genetiske materiale fra begge forældreplanter

I en ny undersøgelse offentliggjort i Nature Genetics , ledet af Charles Underwood fra Max Planck Institute for Plant Breeding Research i Köln, Tyskland, etablerede forskere et system til at generere klonale kønsceller i tomatplanter og brugte dem til at designe afkoms genomer.

Befrugtningen af ​​et klonalt æg fra en forælder med en klonal sædcelle fra en anden forælder førte til planter, der indeholdt den fuldstændige genetiske information fra begge forældre.

Hybridfrø, der kombinerer to forskellige forældrelinjer med specifikke gunstige egenskaber, er populære i landbruget, da de giver anledning til robuste afgrøder med øget produktivitet og er blevet brugt af landmænd i mere end hundrede år.

Den øgede ydeevne af hybrider er generelt kendt som hybrid vigor eller heterosis, og er blevet observeret i mange forskellige plante- (og dyrearter). Men heteroseeffekten varer ikke længere ved i de efterfølgende generationer af disse hybrider på grund af adskillelsen af ​​genetisk information.

Der skal således produceres nye hybridfrø hvert år, en arbejdskrævende og dyr indsats, der ikke fungerer godt for hver afgrøde. Så hvordan kan de gavnlige egenskaber, kodet i generne fra hybridplanter, overføres til næste generation?

Typisk gennemgår vores genetiske materiale omrokering under meiose - en afgørende celledeling, der forekommer i alle seksuelt reproducerende organismer. Denne omrokering, på grund af tilfældig adskillelse af kromosomer og meiotisk rekombination, er vigtig for at skabe nye og gavnlige genetiske konfigurationer i naturlige populationer og under avl.

Men når det kommer til planteavl, vil du, når du først har en god kombination, beholde den og ikke miste den ved at blande generne igen. At have et system, der omgår meiose og ville resultere i kønsceller (æg og sæd), der er genetisk identiske med forældrene, kunne have flere anvendelser.

I denne undersøgelse etablerede Underwood og hans team et system, hvor de erstatter meiose med mitose, en simpel celledeling, i den mest populære vegetabilske afgrødeplante, den dyrkede tomat. I det såkaldte MiMe-system (Mitosis i stedet for Meiosis) efterligner celledelingen en mitose og omgår dermed genetisk rekombination og segregation og producerer kønsceller, der er nøjagtige kloner af moderplanten.

Konceptet med MiMe-systemet er tidligere blevet etableret af Raphael Mercier, direktør ved Max Planck Institute for Plant Breeding Research, i Arabidopsis og ris. Et banebrydende aspekt af den nye undersøgelse er, at forskerne for første gang udnyttede de klonale kønsceller til at konstruere afkom gennem en proces, de kalder "polyploid genomdesign."

Polyploid genomdesign

Normalt har kønsceller et halveret kromosomsæt (hos mennesker reduceres 46 kromosomer til 23; hos tomater reduceres 24 kromosomer til 12), hvorimod MiMe-kønscellerne er klonale, og derfor sker denne halvering af kromosomsættet ikke.

Underwood og hans team udførte krydsninger, der betød, at det klonale æg fra en MiMe tomatplante blev befrugtet af en klonal sperm fra en anden MiMe tomatplante. De resulterende tomatplanter indeholdt det komplette genetiske repertoire fra begge forældre – og består derved af 48 kromosomer.

Derfor er alle gunstige egenskaber fra begge hybridforældre konsolideret - ved design - i en ny tomatplante. På grund af det tætte genetiske forhold mellem tomater og kartofler, mener teamet omkring Underwood, at systemet beskrevet i denne undersøgelse let kan tilpasses til brug i kartofler, verdens femte mest værdifulde afgrødeplante, og potentielt andre afgrødearter.

I lyset af stigende befolkningstal og klimaændringer er udviklingen af ​​højtydende, bæredygtige og stabile sorter afgørende for at sikre verdens fødevareforsyning på lang sigt. Derfor er det afgørende at dyrke planter, der udviser øget sygdomsresistens og stresstolerance. Innovative tilgange til plantereproduktionsteknologier er afgørende.

Innovativ teknik frøproduktion

MiMe-systemet og dets anvendelse i polyploid genomteknik kunne være en lovende vej til at tackle nutidens landbrugsudfordringer.

"Vi er virkelig begejstrede for muligheden for at bruge klonale kønsceller til at udføre polyploid genomdesign. Vi er overbeviste om, at dette vil give opdrættere mulighed for at udvinde yderligere heterose - den progressive heterose, der findes i polyploider - på en kontrolleret måde," siger Underwood.

"Tomat MiMe-systemet, vi har etableret, kan også bruges som en komponent i klonal frøproduktion - syntetisk apomixis - i fremtiden. Dette kan massivt reducere omkostningerne ved at producere hybridfrø," tilføjer Yazhong Wang.

Flere oplysninger: Yazhong Wang et al., Udnyttelse af klonale gameter i hybridafgrøder til at konstruere polyploide genomer, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01750-6

Journaloplysninger: Naturgenetik

Leveret af Max Planck Society