Weizenlabyrinth-Navigation: FSU-Forscher entwickeln Technik zur Kartierung von „Lichtschaltern“ des Maisgenoms

Management-Taschen bedecken Weizenquasten in einem Forschungsfeld der Florida State University für ein Experiment unter der Leitung von Biologieprofessor Hank Bass. Die Beutel verhindern die Bestäubung von Pflanzen und ermöglichen es den Wissenschaftlern, eine Kontamination der von ihnen untersuchten Proben zu vermeiden. (Foto von Jonathan Doster)

Ein umfassendes Verständnis der Regulation von Genen zu erlangen, ist ein wichtiges Ziel von Wissenschaftlern weltweit. Jetzt haben ein Professor an der Florida State University und seine Forschungspartner eine Technik entwickelt, die fast alle wahrscheinlichen regulatorischen Verschiebungen in einem Genom abbilden kann.

Dieses Wissen kann für die Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung sein, wo Wissenschaftler ständig versuchen, den Ernteertrag zu verbessern, indem sie verschiedene Pflanzen wie Weizen oder Weizen widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse wie Dürre, Überschwemmungen oder Pflanzenviren machen.

Hank Bass, Professor am Department of Biological Sciences

„Die Kenntnis der Landschaft der Genomstruktur sollte dazu beitragen, die Genom-Editierung zu fokussieren und größere angewandte Forschungsbemühungen zu beschleunigen, beispielsweise solche, die genau auf Landwirtschaft und Medizin abzielen“, sagt Professor für Biowissenschaften Hank Bass.

Die Forschung ist veröffentlicht in PLOS Genetik.

Regulatorische Schalter, die von Transkriptionsfaktoren gesteuert werden, sind fast wie Lichtschalter für Gene. Alle Gene haben spezifische Funktionen, einige sind jedoch während verschiedener Entwicklungsstadien nur kurz vorhanden. Wenn der Prozess schief geht, kann dies die Fähigkeit einer Pflanze beeinträchtigen, sich richtig zu entwickeln oder Krankheiten vorzubeugen.

„Durch die Erstellung einer robusten, genauen Karte von regulatorischen Stellen und Transkriptionsfaktoren in Mais kann die Genexpression durch gezielte Ausrichtung auf diese Stellen optimiert werden“, sagte Savannah Savadel, die Erstautorin der Studie und Alumnus der FSU, die jetzt an der medizinischen Fakultät in Baylor arbeitet. Universität für Medizin. „Das kann gesündere Pflanzen, einen höheren Nährstoffgehalt, besseres Wachstum oder Trockenheitsresistenz bedeuten, was besonders in Gebieten mit schwierigem Anbau ein großes Problem darstellt.

Savannah Savadel, die erste Autorin der Zeitung und Alumni der FSU, die jetzt die medizinische Fakultät des Baylor College of Medicine besucht

Das Wissen, wo ein Transkriptionsfaktor an das Gen bindet, ermöglicht es Forschern, die Biochemie der Genregulation in normalen und pathologischen Kontexten zu verstehen.

Mais ist eine komplizierte Pflanze, die von Hunderten von Forschern untersucht wurde, da sie eine gute genetische Modellart ist, die auch dazu beitragen kann, die Genetik anderer Pflanzen zu beleuchten. Das Maisgenom hat etwa zwei Milliarden Basenpaare – Einheiten doppelsträngiger Nukleinsäuren, die die Bausteine der DNA sind. Zum Vergleich: Der Mensch hat etwa 2,9 Milliarden Basenpaare.

Bass und seine Kollegen verwenden ihre Technik namens MOA-seq, um DNA-Sequenzen in kleine Stücke von etwa 30 Basenpaaren abzubilden. Das Verfahren extrahiert Zellkerne und wendet ein Enzym an, das als Sonde fungiert. Es breitet sich innerhalb des Zellkerns aus und identifiziert Bereiche der DNA, die durch die Bindung des Transkriptionsfaktors verändert werden können.

Durch die Beschränkung der DNA-Karte auf kleinere Fußabdrücke von 30 Basenpaaren können Forscher Gen-Editing-Tools wie CRISPR verwenden, um bestimmte Bereiche des Gens zu verändern.

Eine Maisähre (Zea mays) aus der FSU-Studie. (Foto von Jonathan Doster)

„Wir haben die hochpräzisen Lichtschalter in einem Proof-of-Concept-Testgewebe gefunden, der sich entwickelnden Ähre einer Maispflanze“, sagte Bass. „Die Fähigkeit, diese Sequenzebene zu erreichen, bedeutet, dass man innerhalb dieser Bindungen nach genetischen Variationen suchen kann. Dies macht Präzisionslandwirtschaft möglich. ”

Bass hat die Chromatin-Empfindlichkeits-Profiling-Technik in den letzten zehn Jahren verfeinert. Er arbeitet mit Thomas Hartwig, einem Forscher am Max-Planck-Institut in Deutschland, zusammen, der eine Zusammenarbeit vorschlägt, nachdem er an einem Workshop teilgenommen hatte, in dem Bass die Methode angewendet wurde. Savadel führte viele der Experimente im Rahmen ihrer Ehrungen in der Hauptarbeit im Bundesstaat Florida durch.

Jonathan Dennis, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften der FSU, und Jinfeng Zhang, außerordentlicher Professor für Statistik, trugen zusammen mit den Doktoranden Zachary Turpin, Pei-Yau Lung und Xin Sui und dem ehemaligen Doktoranden der FSU Daniel Vera zu dieser Forschung bei. An dieser Studie haben auch Wolf Frommer und Max Blank vom Max-Planck-Institut mitgewirkt.

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation unterstützt.