Munich, Germany
March 17, 2017
For many plant species, such as the thale cress, which is often used in research, but also for food crops such as corn, rice and wheat, there are now initiatives currently mapping the genome of many subspecies and varieties. (Photo: Regnault/ TUM)
Für viele Pflanzenarten, wie die in der Forschung beliebte Ackerschmalwand, aber auch für Nutzpflanzen wie Mais, Reis und Weizen gibt es Initiativen, welche die Genomsequenz vieler Unterarten und Sorten erfassen. (Foto: Regnault/ TUM)
Plants possess molecular mechanisms that prevent them from blooming in winter. Once the cold of win-ter has passed, they are deactivated. However, if it is still too cold in spring, plants adapt their blooming behavior accordingly. Scientists from the Technical University of Munich (TUM) have discovered genetic changes for this adaptive behavior. In light of the temperature changes resulting from climate change, this may come in useful for securing the production of food in the future.
Everyone knows that many plant species bloom at different times in spring. The time at which a plant blooms in spring does not follow the calendar, but is instead determined by environmental factors such as temperature and day length. Biologists have discovered that plants recognize these environmental factors via genetically determined programs and adapt their growth accordingly.
In order to adapt to new climate zones and to ensure the evolutionary success of the species, these genetic programs may be adapted over the course of evolution. These adaptive processes take place passively: Minor changes (mutations) take place in the genetic material (DNA sequence) of the genes involved. If an adaptation proves successful over the following years, a new population establishes itself as a genetically distinct subspecies.
Comparison of Biological Adaptations with Genetic Changes
In order to find out which mutations were used particularly frequently over the course of evolution, scientists compare biological adaptations such as shifts in the point in time at which blooming takes place with existing genetic changes. For many plant species, such as the thale cress (Arabidopsis thaliana), which is often used in research, but also for food crops such as corn, rice, barley and wheat, there are now initiatives currently mapping the genome (entire DNA sequence) of many subspecies and varieties. This makes comparisons at the DNA level particularly simple and efficient.
In the journal “eLife”, Ulrich Lutz from the Chair of Plant Systems Biology at the TUM and his colleagues from the Helmholtz Zentrum München jointly describe the results of a comparative sequence analysis of the FLM (FLOWERING LOCUS M) gene from over a thousand Arabidopsis genome sequences.
FLM binds directly to DNA, allowing it to influence the creation of other genes (transcription), which delays blooming. Via comparisons of the FLM DNA sequence from over a thousand subspecies, Lutz was able to determine which genetic changes occurred frequently as this plant evolved: Generally speaking, these are the changes that provide the plant with an adaptive advantage found in a large number of subspecies. Mutations that did not provide an advantage, on the other hand, were lost over time. The frequency of the changes is therefore an indication that these mutations were the most successful from an evolutionary point of view.
For the FLM gene he characterized, Lutz was able to demonstrate that the genetic changes that occur worldwide have an influence on how frequently and efficiently the FLM gene is read. As FLM is able to delay the point in time at which blooming occurs, a more intensive reading of the gene directly corresponds to later blooming. FLM behaves much like a light dimmer that the plant uses to regulate gene activity — and hence blooming — on a continuous scale.
FLM Gene Acts Like a Controller
The underlying gene changes influenced this reading of FLM. Modified DNA was found in the area of the gene ‘switch’ (promoter), which regulates how much of the FLM gene is produced. In addition, the mechanism of gene splicing could also be observed: As part of this process, parts are cut out of the interim gene product. The quantity of active FLM can also be adapted via genetic changes that impact gene splicing. Hence, a direct dependency was found between the point in time of blooming and the quantity of the FLM gene, which in Arabidopsis can be finely adjusted via DNA sequence changes.
“The FLM variants we identified are ideal candidate genes that thale cress can use to adapt the point in time at which blooming takes place to the temperature changes caused by climate change,” said Professor Claus Schwechheimer from the Chair of Plant Systems Biology at TUM.
Findings May Help Plants Adapt to Climate Change
Temperature changes of just a few degrees Celsius during the growth phase of crop plants such as canola or sugar beets have a negative impact on agricultural production. In the future, the findings obtained by the team including the TUM scientists may allow the FLM gene to be used as a regulator to help adapt the blooming period to different temperatures as a result of climate change. With this knowledge, the goal of efficient food production over the long term is now within reach.
Publication:
Ulrich Lutz, Thomas Nussbaumer, Manuel Spannagl, Julia Diener, Klaus F.X. Mayer, Claus Schwechheimer: Natural haplotypes of FLM non-coding sequences fine-tune flowering time in ambient spring temperatures in Arabidopsis, eLife 3/2017. DOI: 10.7554/eLife.22114
Molekularmechanismus fürs Blühen im Frühling identifiziert - Mit einem Pflanzendimmer den Klimawandel austricksen?
Pflanzen besitzen molekulare Mechanismen, die verhindern, dass sie im Winter blühen. Ist die Winterkälte vorbei, sind diese inaktiviert. Doch auch wenn es im Frühling noch zu kühl ist, passen Pflanzen ihr Blühen an. Wissenschaftler von der Technischen Universität München (TUM) haben genetische Veränderungen für diese Anpassung entdeckt. Im Hinblick auf die mit dem Klimawandel einhergehenden Temperaturänderungen, kann dies künftig dabei helfen, die Nahrungsmittelproduktion zu sichern.
Dass viele Pflanzenarten im Frühjahr zu unterschiedlichen Zeiten blühen, weiß jeder. Der Zeitpunkt des Blühens im Frühling richtet sich nicht nach dem Kalender, sondern nach Umweltfaktoren wie Temperatur und Tageslänge. Biologen haben herausgefunden, dass Pflanzen diese Umweltfaktoren über genetisch festgelegte Programme erkennen und ihre Entwicklung entsprechend anpassen.
Um sich an neue Klimazonen anzupassen und den evolutionären Erfolg der Art zu sichern, können diese genetischen Programme im Lauf der Evolution nachjustiert werden. Diese Anpassungsprozesse geschehen passiv: Es entstehen kleine Veränderungen (Mutationen) im Erbgut (DNA-Sequenz) der beteiligten Gene. Sollte sich eine Anpassung in den Folgejahren als erfolgreich erweisen, etabliert sich eine neue Population als genetisch erkennbare Unterart.
Abgleich biologischer Anpassungen mit genetischen Veränderungen
Um herauszufinden, welche Mutationen im Laufe der Evolution besonders häufig benutzt wurden, vergleichen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler biologische Anpassungen wie etwa Verschiebungen des Blühzeitpunktes mit vorhandenen genetischen Veränderungen. Für viele Pflanzenarten, wie die in der Forschung beliebte Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), aber auch für Nutzpflanzen wie Mais, Reis, Gerste und Weizen gibt es mittlerweile Initiativen, welche die Genomsequenz (Gesamt-DNA-Sequenz) vieler Unterarten und Sorten erfassen. Das macht Vergleiche auf DNA-Ebene besonders einfach und effizient.
Ulrich Lutz vom Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen der TUM beschreibt zusammen mit Kollegen vom Helmholtz Zentrum München in der Zeitschrift „eLife“ die Ergebnisse einer vergleichenden Sequenzanalyse des Gens FLM (FLOWERING LOCUS M) aus über tausend Arabidopsis-Genomsequenzen.
FLM bindet direkt an die DNA und kann damit die Herstellung anderer Gene (Transkription) beeinflussen, was das Blühen hinauszögert. Durch Vergleiche der FLM-DNA-Sequenz aus über tausend Unterarten konnte Lutz feststellen, welche Genveränderungen im Laufe der Evolution an dieser Pflanze häufig vorkamen: In der Regel sind genau die Veränderungen in vielen Unterarten zu finden, die der Pflanze einen Anpassungsvorteil bieten. Mutationen ohne Vorteil gehen hingegen im Laufe der Zeit verloren. Von daher ist die Häufigkeit der Veränderungen ein Hinweis darauf, dass diese Mutationen evolutionär am erfolgreichsten waren.
Zu dem von ihm charakterisierten FLM-Gen konnte Lutz aufzeigen, dass die weltweit vorkommenden Genveränderungen beeinflussen, wie häufig und effizient das Gen FLM abgelesen wird. Da FLM den Blühzeitpunkt hinauszögern kann, übersetzte sich das verstärkte Ablesen des Gens direkt in späteres Blühen. FLM agiert also ähnlich wie ein Lichtdimmer, über den die Pflanze die Genaktivität und damit das Blühen quasi stufenlos reguliert.
Das FLM-Gen agiert wie ein Regler
Die zugrundeliegenden Genveränderungen beeinflussten dieses Ablesen von FLM. So wurde veränderte DNA im Bereich des Genschalters (Promoter) gefunden, der reguliert, wieviel FLM-Gen produziert wird. Daneben konnte der Mechanismus des sogenannten Gen-Spleißens beobachtet werden: Dabei werden Teile aus dem vorläufigen Genprodukt herausgeschnitten. Auch über Genveränderungen, die das Gen-Spleißen beeinträchtigen, kann die Menge an aktivem FLM angepasst werden. Somit wurde eine direkte Abhängigkeit des Blühzeitpunkts von der Menge des FLM-Gens gefunden, die in Arabidopsis über die DNA-Sequenzveränderungen feinjustiert werden kann.
„Die von uns identifizierten FLM Varianten sind ideale Kandidatengene, die die Ackerschmalwand benutzen kann, um den Blühzeitpunkt an die durch den Klimawandel bedingten Temperaturveränderungen anzupassen", sagt Professor Claus Schwechheimer vom Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen der TUM.
Ergebnis kann helfen Pflanzen an Klimawandel anzupassen
Schon Temperaturänderungen von wenigen Grad Celsius während der Wachstumsphase von Kulturpflanzen wie Raps oder Zuckerrübe haben eine negative Auswirkung auf die landwirtschaftliche Produktion. Die Ergebnisse des Teams um die TUM-Wissenschaftler könnten künftig dabei helfen, die Blütezeit an die im Rahmen des Klimawandels veränderten Temperaturen anzupassen, indem das FLM-Gen als Regulator eingesetzt wird. Eine effiziente Nahrungsmittelproduktion dauerhaft zu sichern, rückt mit dieser Erkenntnis in greifbare Nähe.
Publikation:
Ulrich Lutz, Thomas Nussbaumer, Manuel Spannagl, Julia Diener, Klaus F.X. Mayer, Claus Schwechheimer: Natural haplotypes of FLM non-coding sequences fine-tune flowering time in ambient spring temperatures in Arabidopsis, eLife 3/2017. DOI: 10.7554/eLife.22114
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