Germany
November 11, 2024
Plant breeders, aiming to develop resilient and high-quality crops, often cross plants from different species to transfer desirable traits. However, they frequently encounter a major obstacle: hybrid seed failure. This reproductive barrier often prevents closely related species from producing viable seeds. A new study from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology offers insights into this challenge by identifying small RNA molecules as crucial players in this process. These findings could pave the way for more successful hybridization in the future.
Viable seeds produced by Capsella orientalis on the left side and collapsed, non-viable seeds produced by crossing Capsella orientalis with its near relative Capsella rubella. A lack of maternal small RNA was found responsible for this discrepancy in seed quality. -
Lebensfähige Samen von Capsella orientalis auf der linken Seite und nicht lebensfähige Samen, die durch Kreuzung von Capsella orientalis mit ihrer nahen Verwandten Capsella rubella erzeugt wurden. Ein Mangel an mütterlicher kleiner RNA ist für den Unterschied in der Samenqualität verantwortlich.
© Katarzyna Dziasek
When hybrid seeds fail to develop, the reason often lies in the endosperm—a tissue in plant seeds that provides nutrients to the growing embryo, much like the placenta nourishes mammalian embryos. Without proper development of the endosperm, the seeds cannot survive.
A new study led by Claudia Köhler’s research group has made a key discovery in the Brassicaceae family, which includes mustard, broccoli, rapeseed, and other important crops. The study reveals a strong link between hybrid seed failure and a deficiency in maternal small RNAs. These tiny molecules are transferred from the maternal plant to the endosperm and control gene activity in the endosperm.
Abnormal gen expression halts development
When the gene expression in a seed is abnormal, seed development halts, ultimately leading to its death. "Our findings suggest that the dosage of maternally provided small RNAs can determine whether a hybrid seed will grow or not," said Katarzyna Dziasek, the study’s lead author. "By controlling the levels of these RNA molecules, we may be able to improve the survival of hybrid seeds and overcome the barriers that have long prevented successful breeding between different plant species."
Interestingly, this mechanism extends beyond plants. A similar phenomenon known as hybrid dysgenesis occurs in fruit flies. In this case, small RNAs from the mother protect against genetic disorders that can occur if the father's genetic material deviates too much. Thus, in both plants and animals, maternal small RNAs play a pivotal role in determining species compatibility in hybridization. Key questions remain about how these small RNAs are generated and transferred from the maternal plant to the endosperm, which are currently under investigation in Claudia Köhler’s lab at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology.
As plant breeders continue to face the challenges of hybrid seed failure, this research provides a promising new avenue for enhancing the transfer of beneficial traits between species. By understanding the molecular mechanisms behind hybrid seed failure, breeders may be able to develop more resilient crops that can better withstand environmental stresses, improve yield, and maintain biodiversity.
Bessere Überlebenschancen für Hybridsamen - Kleine RNA-Moleküle von der Mutterpflanze bestimmen das Schicksal von Hybridsamen
Möchten Pflanzenzüchter widerstandsfähige und hochwertige Nutzpflanzen erzeugen, dann kreuzen sie häufig Pflanzen verschiedener Arten, um erwünschte Eigenschaften zu übertragen. Das vorzeitige Absterben der Hybridsamen stellt sie dabei jedoch häufig vor große Hindernisse. Grund dafür ist eine Fortpflanzungsbarriere, die oft verhindert, dass eng verwandte Arten lebensfähige Samen miteinander produzieren können. Forschende des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie hat nun kleine RNA-Moleküle als Schlüsselmoleküle in diesem Prozess identifiziert. Diese Erkenntnisse könnten den Weg für eine erfolgreichere Hybridisierung in der Zukunft ebnen.
Wenn sich Hybridsamen nicht entwickeln, liegt der Grund oft im Endosperm - einem Gewebe in Pflanzensamen, das den heranwachsenden Embryo mit Nährstoffen versorgt, ähnlich wie die Plazenta den Embryo von Säugetieren ernährt. Ohne eine korrekte Entwicklung des Endosperms können die Samen nicht überleben.
Eine neue Studie unter der Leitung der Forschungsgruppe von Claudia Köhler hat bei der Erforschung der Familie der Kreuzblütler, zu der Senf, Brokkoli, Raps und andere wichtige Nutzpflanzen gehören, eine entscheidende Entdeckung gemacht. Die Studie zeigt einen engen Zusammenhang zwischen der Überlebensfähigkeit von Hybridsamen und einem Mangel an mütterlichen kleinen RNA. Diese kleinen Moleküle werden von der Mutterpflanze auf das Endosperm übertragen und steuern die Genaktivität im Endosperm.
Abnormale Genaktivität
Wenn die Genaktivität in einem Samen abnormal ist, kommt die Entwicklung des Samens zum Stillstand, was schließlich zu seinem Absterben führt. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Dosierung der mütterlicherseits bereitgestellten kleinen RNA darüber entscheiden kann, ob ein Hybridsamen wächst oder nicht“, erklärt Katarzyna Dziasek, die Hauptautorin der Studie. „Indem wir die Menge dieser RNA-Moleküle kontrollieren, können wir möglicherweise die Überlebenschancen von Hybridsamen verbessern und die Barrieren überwinden, die lange Zeit eine erfolgreiche Kreuzung zwischen zwei verschiedenen Pflanzenarten verhindert haben.“
Interessanterweise ist dieser Mechanismus nicht nur bei Pflanzen zu finden. Ein ähnliches Phänomen, bekannt als Hybriddysgenese, tritt bei Fruchtfliegen auf. In diesem Fall schützen kleine RNAs der Mutter vor genetischen Störungen, die auftreten können, wenn das genetische Material des Vaters zu stark abweicht. Sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren spielen die mütterlichen kleinen RNAs also eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Artenkompatibilität bei der Hybridisierung. Wie diese kleinen RNAs entstehen und von der Mutterpflanze auf das Endosperm übertragen werden, sind Schlüsselfragen, die derzeit im Labor von Claudia Köhler am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie untersucht werden.
Dies Ergebnisse eröffnen neue Ansätze für Pflanzenzüchter, die Überlebenschancen von Hybridsamen und damit auch die Übertragung nützlicher Eigenschaften zwischen Arten zu verbessern. Durch das Verständnis der molekularen Mechanismen, die dem Absterben von Hybridsamen zugrunde liegen, können Züchter möglicherweise widerstandsfähigere Pflanzen entwickeln, die Umweltbelastungen besser standhalten, den Ertrag steigern und die Erhaltung der Artenvielfalt unterstützen.
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