A route to de novo domestication of wild allotetraploid rice

In dieser Studie wurden in einer „wilden“ Reis-Art, die einen vierfachen Chromosomensatz besitzt, Eigenschaften der Domestizierung wie der Kornsitz in der Ähre und die Länge der Grannen verändert. Aufgrund seiner vier Chromosomensätze ist der wilde Reis tetraploid. Der heutzutage vielfach angebaute Reis besitzt nur zwei Chromosomensätze, er ist diploid. Ein erhöhter Chromosomensatz birgt den Vorteil, dass im Falle einer auftretenden (negativen) Mutation immer noch viele weitere Genkopien im Erbgut vorhanden sind. Außerdem können sich Pflanzen mit mehr als zwei Chromosomensätze besser an sich verändernde Umweltbedingungen anpassen. Die Autoren der Studie verwendeten als Ausgangspflanze einen tetraploiden Verwandten der heutzutage angebauten Reisarten. Dieser wilde Reis besitzt Eigenschaften wie eine hohe Biomasse (er wächst also viel höher), verschiedene Stresstoleranzen und Hitzetoleranz. Viele Gene, die an der Domestizierung vom Reis beteiligt sind, sind auch im Erbgut des wilden Verwandten vorhanden und wurden durch die WissenschaftlerInnen mit Hilfe der Genschere verändert. So wurden unter anderem die Länge der Grannen vermindert, der Kornausfall und die Höhe der Pflanzen insgesamt reduziert.

Es zeigte sich, dass im Laufe der Domestizierung von Pflanzen viele positive Eigenschaften, wie Stress-Toleranzen von wilden Vertretern vieler Nutzpflanzenarten verloren gegangen sind. Die Genschere CRISPR/Cas soll deshalb in wilden Arten angewandt werden, um eine beschleunigte Domestizierung (auch de novo Domestizierung genannt) durchzuführen. Damit soll das Erbgut wilder Arten so verändert bzw. angepasst werden, dass sie bestimmte genetische Varianten aus gezüchteten Pflanzenlinien tragen. Im Ergebnis besitzen solche „genomeditierten wilden Arten“ Eigenschaften aus wilden Arten, die im Zuge der Pflanzenzüchtung „verloren“ gegangen sind, und kombinieren diese Eigenschaften mit „domestizierten“ Eigenschaften, die sich als wichtig für die Kultivierung herausgestellt haben.

In der Studie wurde die Genschere verwendet, um mehrere verschiedene Genorte im Erbgut der wilden Reispflanzen gleichzeitig zu verändern und für den Anbau wichtige Eigenschaften anzupassen. Dabei werden vor allem mehrere kleine SDN-1 Veränderungen kombiniert, die in der Summe zu komplexen Veränderungen im Erbgut der Pflanzen führen. Es werden beispielsweise durch Multiplexing verschiedene Gene gleichzeitig verändert oder alle Genkopien auf einmal verändert. Die de novo Domestizierung ist ein eindrucksvolles Anwendungsbeispiel, das zeigt wie mit kleinen Veränderungen im Erbgut tiefgreifende Veränderungen im Erbgut von Pflanzen bewirkt werden können.