Så ska jordbruksgrödor få sina vilda gener tillbaka

Claudia Köhlers labb vid SLU har steg för steg undersökt problemen som uppstår då växtförädlare försöker korsa våra jordbruksgrödor med sina vilda släktingar.

Flertalet av våra grödor har under domesticeringens gång kommit att få fler kromosomuppsättningar än sina vilda släktingar, vilket i stor utsträckning har bidragit till de moderna grödornas framgång. Vete, potatis, raps och jordgubbar är till exempel polyploida, medan deras förfäder inte är det.

Ökningen av antalet kromosomuppsättningar (ploidi) har dock minskat de nya sorternas förmåga att korsa sig med sina vilda släktingar, vilket också begränsar växtförädlarnas möjligheter att återinkorsa värdefulla egenskaper som har gått förlorade under domesticeringsprocessen. Orsaken är ett fenomen som kallas den ”triploida spärren”, som orsakar allvarliga defekter i frövitan vid korsningar av växter som skiljer sig i ploiditetsnivå.

Claudia Köhlers forskargrupp vid SLU visade i somras hur ”problemet” uppstår i frövitan – den näringsrika vävnad som stöder embryotillväxten och som ger eftertraktade kalorier i livsmedel och djurfoder.

Det som händer vid hybridisering mellan växter med olika kromosomantal är att det sätt på vilket arvsmassan är hoppackad i frövitans cellkärnor förändras. Detta leder i sin tur till att aktiviteten hos tillväxtfrämjande gener i frövitan förändras kraftigt, med dödliga konsekvenser för det växande fröet. Författarna identifierade också de gener som orsakar detta fenomen.

Hoppande gener och fröabort
Nu har forskargruppen tagit ytterligare ett stort steg mot nya metoder som kan göra det möjligt att kringgå den triploida spärren. Tillsammans med SLU-kollegan Germán Martínez forskargrupp och kollegor från Cold Spring Harbor i USA ger de en bild av fenomenets molekylära bakgrund.

Det de visar är att omflyttningsbara (transponerbara) element (en klass av genetiska enheter som kan byta plats i arvsmassan) – allmänt kända som ”hoppande gener” – har en grundläggande betydelse i processen.

Under pollenbildningen producerar dessa ”hoppande gener” något som betecknas små RNA, som styr olika geners aktivitet senare under fröutvecklingen. Om dessa förekommer i överskott (vilket de gör i pollenkorn från växter med högre ploidi) inducerar de fröabort.

Manipulation av biosyntesen av små RNA
– Vi kunde se att mutanter av vår modellväxt (backtrav) som inte producerar små RNA i pollenkornen ger livskraftiga triploida frön, säger Claudia Köhler. Det är ett bevis på vilken central betydelse små RNA har för aborteringen av triploida frön.

I båda artiklarna är forskarnas teori att små RNA som härrör från hoppande gener skapar en kvantitativ signal för kromosomtal, och att det krävs en väl avvägd dosering för att livskraftiga frön ska bildas.

– Om vi lär oss att manipulera biosyntesen av små RNA skulle vi alltså ha ett enkelt sätt att föra över åtråvärda men förlorade egenskaper från vilda släktingar till moderna jordbruksgrödor, säger Claudia Köhler. Det kan till exempel vara egenskaper som gör växten tåligare mot sjukdomsangrepp eller torkstress.

Kontakt:
Professor Claudia Köhler, Claudia Köhlers labb, Institutionen för växtbiologi, SLU, claudia.kohler@slu.se
018-67 33 13,

Artiklarna:
Paternal easiRNAs regulate parental genome dosage in Arabidopsis. German Martinez, Philip Wolff, Zhenxing Wang, Jordi Moreno-Romero, Juan Santos-González, Lei Liu Conze, Christopher DeFraia, R. Keith Slotkin & Claudia Köhler. Nature Genetics (2018)
Transposon-derived small RNAs triggered by miR845 mediate genome dosage response in Arabidopsis. Filipe Borges, Jean-Sébastien Parent, Frédéric van Ex, Philip Wolff, German Martínez, Claudia Köhler & Robert A. Martienssen. Nature Genetics (2018).