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Genetische Mutationen in Pflanzen

Genetische Mutationen in Pflanzen


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Ich versuche, einige Bäume, die normalerweise in kälteren Klimazonen heimisch sind, in das subtropische Klima zu pflanzen. Gibt es eine Möglichkeit, dass, wenn ich diese 20 Baumsetzlinge im Winter pflanze, sie aufgrund einer zufälligen genetischen Mutation zu einem Baum werden, wenn alle Nährstoffe gegeben sind? alles dafür vorgesehen?

Der fragliche Baum ist Deodar


Ich denke, dass das potenzielle Überleben Ihrer Sämlinge eher Ihrer Pflege und Ihrem Management zugeschrieben werden könnte als zufälligen genetischen Mutationen. Während DNA-Mutationen natürlich während der Zellreplikation passieren, findet die Evolution auf der Ebene der gesamten Pflanze hauptsächlich im Laufe von Generationen statt, nicht über die Lebensdauer einer einzelnen Pflanze. Möglicherweise können Sie diese Bäume mit etwas Sorgfalt und Liebe in Ihrer Umgebung zum Gedeihen bringen, obwohl sie möglicherweise nicht so kräftig wachsen. Hier ist ein Link zu einer Garten-Website mit Tipps zum Züchten von Ceadern in einem Hausgarten, obwohl ich dem Kommentator zustimme, dass Sie bei der Garten- und Landschaftsbörse viel bessere Hilfe erhalten!

Viel Erfolg bei Ihren gärtnerischen Vorhaben!


Versteckte DNA-Mutationen der Tomate in genetischer Studie von 100 Sorten aufgedeckt

Nach jahrhundertelanger Züchtung nehmen Tomaten jetzt alle möglichen Formen und Größen an, von kirschähnlichen bis hin zu kräftigen Erbstückfrüchten. Wissenschaftler versuchen auf der Ebene der Gene herauszufinden, wie und warum diese körperlichen Veränderungen auftreten. Bildnachweis: Lippman Lab/CSHL/HHMI

Der menschliche Appetit hat die Tomate verändert – DNA und alles. Nach Jahrhunderten der Züchtung nimmt die einst südamerikanische Beere in etwa die Größe einer Erbse jetzt alle möglichen Formen und Größen an, von kirschartig bis zu kräftigen Erbstückfrüchten.

Heute versuchen Wissenschaftler herauszufinden, wie sich diese körperlichen Veränderungen auf der Ebene der Gene zeigen – eine Arbeit, die moderne Bemühungen zur Optimierung der Tomate leiten könnte, sagt Zachary Lippman, Ermittler des Howard Hughes Medical Institute.

Er und Kollegen haben nun lange verborgene, versteckte Mutationen im Genom von 100 Tomatensorten identifiziert, darunter eine orangebeerige Wildpflanze von den Galapagos-Inseln und Sorten, die typischerweise zu Ketchup und Sauce verarbeitet werden.

Ihre Analyse, beschrieben am 17. Juni 2020, in der Zeitschrift Zelle, ist die umfassendste Bewertung solcher Mutationen – die lange Abschnitte der DNA verändern – für jede Pflanze. Die Forschung könnte zur Schaffung neuer Tomatensorten und zur Verbesserung bestehender führen, sagt Lippman. Eine Handvoll der Mutationen, die sein Team identifizierte, veränderte Schlüsselmerkmale wie Geschmack und Gewicht, zeigten die Forscher.

Frühere Studien haben seit langem gezeigt, dass diese Mutationen in Pflanzengenomen vorkommen, sagt Lippman, Pflanzengenetiker am Cold Spring Harbor Laboratory. “Aber bis jetzt hatten wir keine effiziente Möglichkeit, sie zu finden und ihre Auswirkungen zu untersuchen,”, sagt er.

Ein Fenster ins Genom

Mutationen oder Veränderungen in den vier Arten von DNA-Buchstaben, die in den Zellen eines Organismus transportiert werden, können seine physikalischen Eigenschaften verändern. Wissenschaftler, die Pflanzen untersuchen, haben sich im Allgemeinen auf eine kleine, kontrollierbare Art von Mutation konzentriert, bei der ein DNA-Buchstabe gegen einen anderen ausgetauscht wird.

Die von Lippmans Team untersuchten Mutationen sind viel größer – sie verändern die DNA-Struktur durch Kopieren, Löschen, Einfügen oder Verschieben langer DNA-Abschnitte an eine andere Stelle im Genom. Diese Mutationen, auch strukturelle Variationen genannt, treten überall in der lebenden Welt auf. Studien am Menschen haben diese Variationen beispielsweise mit Erkrankungen wie Schizophrenie und Autismus in Verbindung gebracht.

Die Forscher zeigten, dass strukturelle Variationen, in diesem Fall die Anzahl der Kopien eines Gens, Früchte verändern können. Pflanzen mit drei Genkopien (links) bildeten 30 Prozent größere Früchte als Pflanzen mit einer (rechts). Quelle: M. Alonge et al./Cell 2020

Wissenschaftler können Mutationen identifizieren, indem sie die Buchstaben der DNA mit einer Technik auslesen, die als genetische Sequenzierung bekannt ist. Einschränkungen dieser Technologie haben es jedoch schwierig gemacht, lange DNA-Abschnitte zu entschlüsseln, sagt Lippman. Die Forscher waren also nicht in der Lage, ein vollständiges Bild der strukturellen Mutationen im Genom zu erfassen.

Trotzdem vermuteten Pflanzengenetiker, dass diese Mutationen wesentlich zu Pflanzenmerkmalen beitragen, sagt Michael Purugganan, der Reis und Dattelpalmen an der New York University studiert und an der neuen Studie nicht beteiligt war. “Deshalb ist diese Arbeit so spannend,”, sagt er. Lippmans Team fand diese Mutationen nicht nur in Tomaten und ihren wilden Verwandten, sondern stellte auch fest, wie sie in den Pflanzen funktionieren, sagt er.

Ein Leitfaden für zukünftige Tomaten

Die neue Studie, eine Zusammenarbeit mit Michael Schatz von der Johns Hopkins University und anderen, identifizierte mehr als 200.000 strukturelle Mutationen in Tomaten mit einer Technik namens Long-Read-Sequenzierung. Lippman vergleicht es damit, durch ein Panoramafenster auf große Teile des Genoms zu schauen. Im Vergleich dazu bot die konventionellere Sequenzierung nur ein Guckloch, sagt er.

Die Mehrheit der Mutationen, die sie gefunden haben, verändert keine Gene, die Merkmale kodieren. Was jedoch klar ist, sagt Lippman, ist, dass viele dieser Mutationen Mechanismen verändern, die die Aktivität der Gene steuern. Ein solches Gen steuert zum Beispiel die Größe der Tomatenfrucht. Durch die Veränderung der DNA-Struktur – in diesem Fall die Anzahl der Kopien des Gens – konnte Lippmans Team die Fruchtproduktion verändern. Pflanzen, denen das Gen fehlte, produzierten nie Früchte, während Pflanzen mit drei Kopien des Gens ihre Früchte um etwa 30 Prozent größer machten als solche mit nur einer einzigen Kopie.

Lippmans Team demonstrierte auch, wie die DNA-Struktur Merkmale beeinflussen kann, in einem Beispiel, das er als „bemerkenswert komplex“ bezeichnet. Sie zeigten, dass vier strukturelle Mutationen zusammen erforderlich waren, um ein wichtiges Erntemerkmal in modernen Tomaten zu züchten.

Solche Erkenntnisse könnten helfen, die Merkmalsvielfalt bei anderen Nutzpflanzen zu erklären und Züchtern in die Lage zu versetzen, Sorten zu verbessern, sagt Lippman. Zum Beispiel könnte das Hinzufügen einer zusätzlichen Kopie des Größengens zu winzigen gemahlenen Kirschen, einem nahen Verwandten der Tomate, ihre Attraktivität erhöhen, indem sie größer werden, sagt er.

“Einer der Heiligen Gral in der Landwirtschaft ist zu sagen: ‘Wenn ich dieses Gen mutiere, weiß ich, was das Ergebnis sein wird,”, sagt er. “Das Feld macht wichtige Schritte in Richtung dieser vorhersehbaren Züchtung.”


Das CRISPR/Cas9-System produziert in einer Generation spezifische und homozygote gezielte Gen-Editierung in Reis

Es wurde gezeigt, dass das CRISPR/Cas9-System eine gezielte Gen-Editierung in einer Vielzahl von Organismen, einschließlich Pflanzen, effizient induziert. Jüngste Arbeiten zeigten, dass CRISPR/Cas9-induzierte Genmutationen bei Arabidopsis hauptsächlich somatische Mutationen in der frühen Generation waren, obwohl einige Mutationen in späteren Generationen stabil vererbt werden konnten. Es bleibt jedoch unklar, ob dieses System bei Nutzpflanzen wie Reis ähnlich funktionieren wird. In dieser Studie haben wir in zwei Reis-Unterarten 11 Zielgene auf ihre Eignung für CRISPR/Cas9-induzierte Bearbeitung getestet und die Muster, Spezifität und Vererbbarkeit der Genveränderungen bestimmt. Die Analyse der Genotypen und Häufigkeit editierter Gene in der ersten Generation transformierter Pflanzen (T0) zeigte, dass das CRISPR/Cas9-System in Reis hocheffizient war, wobei in fast der Hälfte der transformierten embryogenen Zellen vor ihrer ersten Zellteilung Zielgene editiert wurden. Homozygote von editierten Zielgenen wurden in T0-Pflanzen leicht gefunden. Die Genmutationen wurden nach dem klassischen Mendelschen Gesetz ohne nachweisbare neue Mutation oder Reversion an die nächste Generation (T1) weitergegeben. Selbst bei umfangreichen Recherchen, einschließlich der Neusequenzierung des gesamten Genoms, konnten wir für keines der vielen in dieser Studie getesteten Targets Hinweise auf ein groß angelegtes Off-Targeting in Reis finden. Durch spezifisches Sequenzieren der mutmaßlichen Off-Target-Stellen einer großen Anzahl von T0-Pflanzen wurden niederfrequente Mutationen in nur einer Off-Target-Stelle gefunden, wo die Sequenz 1 bp Unterschied zum beabsichtigten Target aufwies. Insgesamt weisen die Daten in dieser Studie darauf hin, dass das CRISPR/Cas9-System ein leistungsstarkes Werkzeug für das Genom-Engineering von Nutzpflanzen ist.

Schlüsselwörter: CRISPR/Cas9-Reis gezielte Gen-Editierung.

© 2014 Society for Experimental Biology, Association of Applied Biologists und John Wiley & Sons Ltd.


Danksagung

Wir danken Professor Ningning Wang von der Nankai University für Hilfe bei biochemischen Analysen und Professor Chun-Ming Liu vom Institut für Botanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften für die kritische Durchsicht des Manuskripts. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Natural Science Foundation (31361140355, 31401893, 31272184), National Key Development Plan Pilot Projects (Functional Genomics Research and Application of Weizen und anderen Nutzpflanzen), Beijing Scholar Program und Beijing Excellent Talents Program (2014000021223TD03) unterstützt. Beijing Municipal Science & Technology Commission (6141001, 6144023, WRDMC01), Ministerium für Wissenschaft und Technologie Chinas (2015BAD02B0202, 2014BAD01B08) und Ministerium für Landwirtschaft Chinas (CARS-26).


D. G. den Phänotyp von Pflanzen bewertet und für die genotypische Bewertung vorbereitet. C. Z. und S.Z. führte die bioinformatische Analyse durch. B. H. führte mikroskopische Analysen durch. NS. war an der Herstellung von 406 mutagenisierten Pflanzen beteiligt. D.G., Z.Z. und S.H. schrieb das Manuskript.

Zusätzliche unterstützende Informationen finden Sie online auf der Registerkarte mit den unterstützenden Informationen zu diesem Artikel: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.12558/suppinfo

Unterstützende Datei S1. Proteinsequenz von SCL1 Homologe in verschiedenen Arten

Unterstützende Datei S2. Materialen und Methoden

Stütztisch S1. Verteilung von 51 G zu A oder C zu T Mutationen

Stütztisch S2. Differentiell exprimierte Gene in Wildtyp- und Mutantenpflanzen

Stütztisch S3. Die Liste der in dieser Studie verwendeten Primersequenzen

Bitte beachten Sie: Der Herausgeber ist nicht verantwortlich für den Inhalt oder die Funktionalität der von den Autoren bereitgestellten unterstützenden Informationen. Alle Anfragen (außer fehlenden Inhalten) sollten an den entsprechenden Autor des Artikels gerichtet werden.


Ein allgemeiner Kommentar zur Effizienz

Im Allgemeinen müssen die Editiereffizienz und die Spezifität eines bestimmten Ansatzes auf der Ebene der stabilen Pflanzengeneration in der interessierenden Art bewertet werden. Die Extrapolation von Regeln, die von Protoplasten und anderen Spezies abgeleitet sind, gewährleistet nicht notwendigerweise ähnliche Erfolgsniveaus über Plattformen hinweg. Am wichtigsten ist, dass die gRNA-Effizienz beträchtlich schwankt, die sich nicht mit dem Expressionssystem oder der Cas9-Abgabemethode zu ändern scheint und oft schwer vorherzusagen ist. Trotz aller Modifikationen und Alternativen wird SpCas9 für viele Anwendungen ausreichen und es gibt möglicherweise keinen klaren Vorteil für ein System gegenüber einem anderen in Bezug auf Effizienz oder Spezifität. Dies gilt insbesondere für das Targeting einzelner Genmutationen in Callus-regenerierenden Pflanzen, die typischerweise hohe Raten an homozygoter Mutanten-Wiederfindung ergeben, oder in Arabidopsis, wenn die Spezifität berücksichtigt wird. In diesen Fällen sind die Benutzerfreundlichkeit des Systems und sein Validierungsprotokoll in planta könnte die stärkste Überlegung sein. Jüngste Arbeiten belegen, dass die Hitzeschockbehandlung von Pflanzen bei 37°C für kurze Zeit die Rate der Cas9-Editierung erhöhen kann (LeBlanc et al. 2018). Dieser Effekt ist sowohl in somatischen als auch in Keimbahngeweben offensichtlich, wo eine bis zu 100-fache Steigerung der Editierraten beobachtet wird. Dieser Effekt ist mit einer höheren Effizienz der Cas9-Doppelstrang-DNA-Spaltung bei 37 °C verbunden. Interessanterweise funktioniert diese einfache Behandlung bei mehreren Arten, was darauf hindeutet, dass dies ein hervorragendes Werkzeug sein könnte, um Editierexperimente systemübergreifend zu unterstützen.


Tiere und Menschen genetisch verändern

Heutzutage werden Nutztiere oft selektiv gezüchtet, um die Wachstumsrate und Muskelmasse zu verbessern und die Krankheitsresistenz zu fördern. Zum Beispiel wurden bestimmte Linien von Hühnern, die für Fleisch aufgezogen wurden, so gezüchtet, dass sie heute 300 Prozent schneller wachsen als in den 1960er Jahren, so ein Artikel aus dem Jahr 2010, der im Journal of Anatomy veröffentlicht wurde. Derzeit werden in den USA keine tierischen Produkte auf dem Markt, einschließlich Huhn oder Rindfleisch, gentechnisch verändert, und daher werden keine als GVO- oder Gen-Lebensmittelprodukte eingestuft.

In den letzten Jahrzehnten haben Forscher Labortiere genetisch modifiziert, um herauszufinden, wie die Biotechnologie eines Tages bei der Behandlung menschlicher Krankheiten und der Reparatur von Gewebeschäden beim Menschen helfen könnte, so das National Human Genome Research Institute. Eine der neuesten Formen dieser Technologie heißt CRISPR (ausgesprochen "crisper").

Die Technologie basiert auf der Fähigkeit des bakteriellen Immunsystems, CRISPR-Regionen und Cas9-Enzyme zu nutzen, um fremde DNA, die in eine Bakterienzelle eindringt, zu inaktivieren. Die gleiche Technik macht es Wissenschaftlern möglich, ein bestimmtes Gen oder eine Gruppe von Genen zur Modifikation zu bestimmen, sagte Gretchen Edwalds-Gilbert, außerordentliche Professorin für Biologie am Scripps College in Kalifornien.

Forscher verwenden die CRISPR-Technologie, um nach Heilmitteln für Krebs zu suchen und einzelne DNA-Stücke zu finden und zu bearbeiten, die bei einem Individuum zu zukünftigen Krankheiten führen können. Die Stammzelltherapie könnte auch Gentechnik nutzen, um geschädigtes Gewebe, etwa nach einem Schlaganfall oder Herzinfarkt, zu regenerieren, sagte Edwalds-Gilbert.

In einer höchst umstrittenen Studie behauptet mindestens ein Forscher, die CRISPR-Technologie an menschlichen Embryonen getestet zu haben, um das Potenzial für bestimmte Krankheiten zu eliminieren. Dieser Wissenschaftler wurde einer strengen Prüfung unterzogen und wurde in seinem Heimatland China für einige Zeit unter Hausarrest gestellt.


Ein altes genetisches Werkzeug in der Pflanzenbiologie hat immer noch Wert

Wissenschaftliche Werkzeuge für die Pflanzengenetikforschung verblassen ständig, da sich neuere Methoden entwickeln. Forscher der Mississippi State University haben jedoch herausgefunden, dass eine ältere Methode, die Verwendung fragmentierter Chloroplasten-DNA-Sequenzen, inmitten moderner Technologien immer noch stark ist.

Chloroplast Simple Sequence Repeats oder Mikrosatelliten (cpSSRs) sind kurze, sich wiederholende DNA-Fragmente, die bestimmte Stellen im Genom einer Pflanze markieren. cpSSR-Marker werden verwendet, um die Pflanzenevolution zu untersuchen, z. Sie sind besonders nützlich, um Pflanzengruppen zu unterscheiden und ihre evolutionären Beziehungen aufzulösen.

Gregory Wheeler, Associate Professor Lisa Wallace und Kollegen fanden heraus, dass Pflanzenstudien, die cpSSRs verwenden, zunehmen. Die Zahl der Pflanzenstudien mit cpSSRs hat sich in den letzten zehn Jahren verdoppelt. Seit 1995 werden cpSSRs verwendet, um Wild- und Kulturpflanzen aus 85 verschiedenen Pflanzenfamilien zu untersuchen – die häufigste ist die Geschichte der Kiefern (Pinaceae-Familie) bis zur letzten Eiszeit.

Viele Pflanzenforschungslabore verwenden die neuesten Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation, um molekulargenetische Daten zu sammeln, da diese Methoden einen vollständigeren "Fingerabdruck" der Pflanzen-DNA ermöglichen. Wallace betont jedoch: "Es gibt immer noch viele Labore, die nicht über die finanziellen oder genomischen Ressourcen verfügen, um Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation durchführbar zu machen."

Die veröffentlichte Übersicht über den Status von cpSSRs in der Pflanzengenetik wurde in einer aktuellen Ausgabe von . veröffentlicht Anwendungen in Pflanzenwissenschaften.

Da cpSSRs nach wie vor eine beliebte Methode sind, untersuchten Wheeler und Kollegen ihre Risiken und Vorteile, um die geeignetsten und informativsten wissenschaftlichen Fragen aufzudecken, die cpSSRs in zukünftigen Studien beantworten können.

Das häufigste Problem bei cpSSRs, auf das weniger als 33 Prozent der Studien getestet wurden, wird Größenhomoplasie genannt. Größenhomoplasie tritt auf, wenn Mutationen in der DNA unabhängig voneinander auftreten, was dazu führt, dass DNA von verschiedenen Pflanzen durch evolutionäre Abstammung fälschlicherweise ähnlich erscheint. Größenhomoplasie kann Wissenschaftler dazu führen, die Verwandtschaft mit Pflanzen zu überschätzen.

Um die Risiken einer Größenhomoplasie zu veranschaulichen, zogen Wheeler und Kollegen ihre eigenen Daten über die Pflanzengattung Akmispon, ein Mitglied der Erbsenfamilie, das in ganz Kalifornien, USA, vorkommt. Vier der neun getesteten Loci zeigten eine Größenhomoplasie innerhalb oder zwischen Spezies. "Ich war überrascht, dass es in cpSSR-Studien keinen Test auf Homoplasie gab, wenn man bedenkt, wie häufig wir sie in unserem eigenen Datensatz entdeckt haben", kommentiert Wallace.

Für zukünftige Studien schlagen Wallace und Kollegen vor, cpSSRs zu verwenden, die für bestimmte Pflanzenarten entwickelt wurden. Dieser Ansatz kann dazu beitragen, Probleme der Größenhomoplasie zu vermeiden und Fragen im Zusammenhang mit der genetischen Erhaltung und Variabilität einzelner Arten zu beantworten, beispielsweise solche, die wirtschaftlich und ökologisch wichtig sind.

"In den letzten zehn Jahren hat es große Veränderungen in Richtung NGS-Techniken gegeben", sagt Wallace, "aber unsere Arbeit zeigt, dass cpSSRs für viele Forschungsgruppen in den Grundlagen- und angewandten Pflanzenwissenschaften immer noch ein nützlicher Markertyp sind." Da die Zahl genetischer Werkzeuge für die Pflanzenforschung zunimmt, wird Wallace zufolge die Verfügbarkeit neuer Studiensysteme weiter zunehmen, die neue Möglichkeiten für den Einsatz von cpSSRs in der Pflanzenbiologie bieten.


Fehler in der Meiose können zur Deletion von Chromosomenabschnitten führen. Das Cri-du-Chat-Syndrom zum Beispiel resultiert aus einem fehlenden Stück genetischen Materials auf dem Arm von Chromosom 5. Wenn ein Teil eines Chromosoms abbricht, kann es an einem anderen Chromosom anhaften.

Nachfolgend einige Beispiele:

  • Vervielfältigungen oder Verstärkungen: Diese treten auf, wenn ein Chromosom einem homologen Chromosom hinzugefügt wird, das diese Sequenz bereits enthält, wie es bei einigen Krebsarten der Fall ist.
  • Umkehrungen: Diese treten auf, wenn ein Teil des Chromosoms abbricht und dann nach hinten wieder ansetzt. Zum Beispiel ist das Optiz-Kaveggia-Syndrom mit dieser Art von Mutation verbunden.
  • Translokation: Dies ist, wenn eine Komponente eines Chromosoms an ein nicht homologes Chromosom anlagert. Eine Form der Leukämie ist mit einer Translokationsmutation verbunden.
  • Nichtdisjunktion: Dies ist das Versagen der Chromosomentrennung, was dazu führt, dass Fortpflanzungszellen zu viele oder zwei wenige Chromosomen haben. Mögliche Folgen können Fehlgeburten, Down-Syndrom und Turner-Syndrom sein.

Sprecher-Bio

Richard Amasino

Richard Amasino ist ein angesehener Professor für Biochemie an der University of Wisconsin-Madison und Professor des Howard Hughes Medical Institute. Sein Labor verwendet Genetik und Biochemie, um die Pflanzenentwicklung und die Regulierung der Blüte zu untersuchen. Amasino ermutigt auch Studenten, die Genetik durch Experimente mit Brassica rapa zu erforschen. Amasino wurde mit zahlreichen Auszeichnungen für… Weiterlesen geehrt



Bemerkungen:

  1. Marrok

    Danke für das interessante Material!

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