Germany
May 13, 2024
n a new study, led by Charles Underwood from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research (MPIPZ) in Cologne, Germany, scientists established a system to generate clonal sex cells in tomato plants and used them to design the genomes of offspring. The fertilization of a clonal egg from one parent by a clonal sperm from another parent led to plants containing the complete genetic information of both parents. The study is now published in Nature Genetics.
Tomato fruits produced by a tetraploid tomato plant (with 48 chromosomes) produced in this study by crossing two different tomato MiMe parents.
© Yazhong Wang
Hybrid seeds, combining two different parent lines with specific favorable traits, are popular in agriculture as they give rise to robust crops with enhanced productivity, and have been utilized by farmers for over a hundred years. The increased performance of hybrids is generally known as hybrid vigour, or heterosis, and has been observed in many different plant (and animal) species. However, the heterosis effect no longer persists in the subsequent generations of these hybrids due to the segregation of genetic information. Thus, new hybrid seeds need to be produced every year, a labor-intensive and expensive endeavor that doesn't work well for every crop.
So, how can the beneficial traits, encoded in the genes of hybrid plants, be transferred to the next generation?
Typically, our genetic material undergoes reshuffling during meiosis – a crucial cell division occurring in all sexually reproducing organisms. This reshuffling, due to random segregation of chromosomes and meiotic recombination, is important in generating novel and beneficial genetic configurations in natural populations and during breeding. However, when it comes to plant breeding, once you have a great combination you want to keep it and not lose it by reshuffling the genes again. Having a system that bypasses meiosis and would result in sex cells (egg and sperm) that are genetically identical to the parents could have several applications.
In this study, Underwood and his team established a system, in which they replace the meiosis by mitosis, a simple cell division, in the most popular vegetable crop plant, the cultivated tomato. In the so-called MiMe system (Mitosis instead of Meiosis) the cell division mimics a mitosis, thus sidestepping genetic recombination and segregation, and produces sex cells that are exact clones of the parent plant. The concept of the MiMe system has previously been established by MPIPZ director Raphael Mercier in Arabidopsis and rice.A breakthrough aspect of the new study is that for the first time the researchers harnessed the clonal sex cells to engineer offspring through a process they call “polyploid genome design”.
Polyploid genome design
Usually, sex cells have a halved chromosome set (in humans, 46 chromosomes reduces to 23; in tomato 24 chromosomes reduces to 12) whereas the MiMe sex cells are clonal and therefore this halving of the chromosome set does not happen. Underwood and his team performed crosses that meant that the clonal egg from one MiMe tomato plant was fertilized by a clonal sperm from another MiMe tomato plant. The resulting tomato plants contained the complete genetic repertoire of both parents – and is thereby made up of 48 chromosomes. Hence all favourable characteristics from both hybrid parents are consolidated – by design – in one novel tomato plant. Because of the close genetic relationship between tomatoes and potatoes, the team around Underwood believes that the system described in this study can be easily adapted for use in potato, the world’s fifth most valuable crop plant, and potentially other crop species.
In view of rising population figures and climatic changes, the development of high-yielding, sustainable, and stable varieties is crucial to securing the world's food supply in the long term. Therefore, it is critical to cultivate plants that exhibit heightened disease resistance and stress tolerance. Innovative approaches to plant reproduction technologies are essential.
Innovative technique seed production
The MiMe system and its application in polyploid genome engineering could be one promising avenue to tackle today’s agricultural challenges. “We are really excited about the possibility of using clonal sex cells to carry out polyploid genome design. We are convinced this will allow breeders to untap further heterosis – the progressive heterosis found in polyploids – in a controlled manner”, says Charles Underwood. “The tomato MiMe system we have established could also be used as a component of clonal seed production - synthetic apomixis - in the future. This could massively reduce the cost of producing hybrid seeds”, adds Yazhong Wang.
Mitose statt Meiose
Forschende züchten Tomatenpflanzen, die das vollständige Ebgut beider Elternpflanzen enthalten
In einer neuen Studie unter der Leitung von Charles Underwood vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln haben Forschende ein System zur Erzeugung klonaler Geschlechtszellen in Tomatenpflanzen entwickelt und diese zur Entwicklung der Genome der Nachkommen verwendet. Die Befruchtung einer klonalen Eizelle eines Elternteils durch ein klonales Spermium eines anderen Elternteils führte zu Pflanzen, die die vollständige genetische Information beider Elternteile enthielten. Die Studie wurde jetzt in Nature Genetics veröffentlicht.
Hybridsaatgut, bei dem zwei verschiedene Elternlinien mit spezifischen vorteilhaften Eigenschaften kombiniert werden, ist in der Landwirtschaft sehr beliebt. Es bringt robuste Pflanzen mit erhöhter Produktivität hervor, und wird von Landwirten seit über hundert Jahren genutzt. Die gesteigerte Leistung von Hybriden ist allgemein als Hybridvitalität oder Heterosis bekannt und wurde bei vielen verschiedenen Pflanzen- (und Tier-)arten beobachtet. Allerdings bleibt der Heterosis-Effekt in den nachfolgenden Generationen dieser Hybriden aufgrund der Segregation der genetischen Information nicht mehr bestehen. Daher muss jedes Jahr neues Hybridsaatgut produziert werden, ein arbeitsintensives und teures Unterfangen, das sich nicht für jede Kulturpflanze eignet.
Wie können also die vorteilhaften Eigenschaften, die in den Genen von Hybridpflanzen kodiert sind, auf die nächste Generation übertragen werden?
Normalerweise wird unser genetisches Material während der Meiose - einer entscheidenden Zellteilung, die bei allen sich sexuell fortpflanzenden Organismen stattfindet - neu gemischt. Diese Neuordnung durch zufällige Trennung der Chromosomen und meiotische Rekombination ist von entscheidender Bedeutung für die Entstehung neuer und vorteilhafter genetischer Konfigurationen in natürlichen Populationen sowie bei der Züchtung. In der Pflanzenzüchtung möchte man jedoch eine einmal gefundene Kombination beibehalten und nicht durch erneute Vermischung der Gene wieder verlieren. Ein System, das die Meiose umgeht und zu Geschlechtszellen (Ei- und Samenzellen) führt, die genetisch mit den Eltern identisch sind, könnte verschiedene Anwendungen haben.
In dieser Studie etablierten Underwood und sein Team ein System, in dem sie die Meiose durch Mitose, eine einfache Zellteilung, in der beliebtesten Gemüsepflanze, der Kulturtomate, ersetzen. Im so genannten MiMe-System (Mitose statt Meiose) imitiert die Zellteilung eine Mitose, umgeht so die genetische Rekombination und Segregation und erzeugt Geschlechtszellen, die exakte Klone der Mutterpflanze sind. Das Konzept des MiMe-Systems wurde zuvor von MPIPZ-Direktor Raphaël Mercier in Arabidopsis und Reis entwickelt. Ein bahnbrechender Aspekt der neuen Studie ist, dass die Forschenden zum ersten Mal die klonalen Geschlechtszellen nutzten, um Nachkommen durch einen Prozess zu erzeugen, den sie "polyploides Genomdesign" nennen.
Polyploides Genomdesign
Normalerweise haben Geschlechtszellen einen halbierten Chromosomensatz (beim Menschen werden 46 Chromosomen auf 23 reduziert; bei der Tomate werden 24 Chromosomen auf 12 reduziert). Die MiMe-Geschlechtszellen dagegen sind klonal und daher findet diese Halbierung des Chromosomensatzes nicht statt. Underwood und sein Team führten Kreuzungen durch, bei denen die klonale Eizelle einer MiMe-Tomatenpflanze mit einem klonalen Spermium einer anderen MiMe-Tomatenpflanze befruchtet wurde. Die daraus resultierenden Tomatenpflanzen enthielten das gesamte genetische Repertoire beider Elternteile - und bestehen somit aus 48 Chromosomen. Somit sind alle vorteilhaften Eigenschaften beider Hybrid-Elternteile in einer neuartigen Tomatenpflanze vereint - und das mit Absicht. Aufgrund der engen genetischen Verwandtschaft zwischen Tomaten und Kartoffeln geht das Team um Underwood davon aus, dass sich das in dieser Studie beschriebene System problemlos auf die Kartoffel übertragen lässt. Die Kartoffel gilt als die fünftwertvollste Kulturpflanze der Welt, und möglicherweise lässt sich das System auch auf andere Kulturpflanzenarten anwenden.
Innovative Technik für die Pflanzenzucht
Angesichts steigender Bevölkerungszahlen und klimatischer Veränderungen ist die Entwicklung ertragsstarker, nachhaltiger und stabiler Sorten entscheidend für die langfristige Sicherung der Welternährung. Daher ist es entscheidend, Pflanzen zu züchten, die eine erhöhte Krankheitsresistenz und Stresstoleranz aufweisen. Die Entwicklung innovativer Ansätze für Techniken der Pflanzenvermehrung ist von entscheidender Bedeutung. Das MiMe-System und seine Anwendung in der polyploiden Genomforschung könnten ein vielversprechender Weg sein, um die heutigen Herausforderungen in der Landwirtschaft zu bewältigen.
Das MiMe-System und seine Anwendung in der polyploiden Genomforschung könnten ein vielversprechender Weg sein, um die heutigen Herausforderungen in der Landwirtschaft zu bewältigen. „Wir sind begeistert von der Möglichkeit, klonale Geschlechtszellen für das polyploide Genomdesign zu nutzen. Wir sind überzeugt, dass dies den Züchter:innen erlauben wird, weitere Heterosis - die progressive Heterosis, die in Polyploiden zu finden ist - auf kontrollierte Weise zu erschließen“, sagt Charles Underwood. „Das MiMe-System für Tomaten könnte in Zukunft auch als Bestandteil der klonalen Saatguterzeugung - der synthetischen Apomixis - eingesetzt werden. Dies könnte zu massiven Kosteneinsparungen bei der Produktion von Hybridsaatgut führen“, erklärt Yazhong Wang.
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