Nach 30 Jahren Forschung wird ein für den Proteingehalt von Soja wichtiges Gen entdeckt

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Sojabohnen übertreffen alle anderen Hülsenfrüchte als Proteinkraftwerke im Pflanzenreich und stellen eine wichtige Proteinquelle für Menschen und Nutztiere auf der ganzen Welt dar. Und jetzt, nach 30 Jahren, haben Wissenschaftler der University of Illinois das Gen mit dem größten Einfluss auf Sojabohnenprotein identifiziert.

„Sojabohnen bestehen zu etwa 40 % aus Protein, und dieses Gen erhöht es um etwa 2 %, weniger als das Doppelte“, sagt er Brian DiersCharles Adlai Ewing Lehrstuhl für Sojabohnengenetik und -züchtung an der Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Co-Autor der Studie Das Pflanzentagebuch.

Mitverfasser Matt Hudson, Professor für Bioinformatik für Nutzpflanzenwissenschaften, fügt hinzu: „Wenn wir die proteinreiche Form des Gens in kommerziell angebaute Sorten einbringen könnten, würden wir uns einen signifikanten Anstieg des Proteins für Nutztiere und Menschen auf der ganzen Welt vorstellen, nur um einen einzigen Prozentpunkt Eine Erhöhung der Proteinkonzentration würde Millionen Tonnen Protein darstellen. Es ist ziemlich bedeutend.

1992 veröffentlichte Diers, damals Doktorand, die erste Proteinkarte von Sojabohnen. Obwohl er die Region des Genoms identifizierte, in der sich das Gen befinden könnte, dauerte es drei Jahrzehnte, zahlreiche technologische Fortschritte und die Veröffentlichung von zwei Sojabohnengenomen, um das spezifische Gen zu identifizieren: Glyma.20G85100 ein Gen ohne bekannte Funktion, das jedoch eng mit den Genen „Uhr und zirkadianer Rhythmus“ verwandt ist.

„Es ist befriedigend, von einem begeisterten jungen Doktoranden, der von dieser Entdeckung begeistert ist, endlich herauszufinden, was das Gen ist“, sagt Diers. „Aber wenn ich vor 30 Jahren zu mir zurückkomme, hätte ich nie gedacht, dass es so lange dauern würde. Aber besser spät als nie.“

Die Identifizierung eines solchen Gens ist kompliziert, da es sich um einen von vielen quantitativen Merkmalsloci handelt: Orte im Genom, die zu kontinuierlichen Merkmalen wie Pflanzenhöhe, Ertrag oder in diesem Fall dem Proteingehalt beitragen.

Forscher müssen die Pflanzen anbauen, den Proteingehalt messen und dann das Genom untersuchen, um korrelierte genetische Unterschiede zwischen Pflanzen mit unterschiedlichen Proteinmengen zu finden. Diese genetischen Unterschiede sind möglicherweise nicht nachweisbar oder betreffen nur große Teile des Genoms.

Diers sagt, er habe das Gen ursprünglich einem Abschnitt eines Chromosoms zugeordnet, der mehrere Millionen DNA-Basenpaare lang sei. Aber indem er Generation für Generation von Pflanzen testete, die das Gen in kleineren genetischen Regionen trugen, grenzte er es langsam ein.

„Wir mussten Tausende und Abertausende von Pflanzen screenen und sie dann mit Markern auswerten, um zu sehen, ob wir eine Assoziation gefunden haben. Das war sehr mühsam, und wir hatten viele Studenten und Postdocs, die über Jahre daran gearbeitet haben“, sagt Diers.

Wie die meisten Gene, Glyma.20G85100 kommt in vielen Formen oder Allelen vor. Abhängig von dem in einer bestimmten Sojabohnenlinie gefundenen Allel kann der Proteingehalt der Samen hoch oder niedrig sein. Und es stellt sich heraus, dass die meisten kommerziellen Sojabohnenlinien das Low-Protein-Allel enthalten.

„Leider haben wir festgestellt, dass sich das eiweißreiche Allel negativ auf den Ertrag auswirkt. Elitesorten, die auf hohen Ertrag gezüchtet werden, haben also meist die eiweißarme Form“, sagt Diers.

Die Genentdeckung wird durch eine unklare Verbindung zwischen dem Gen und seiner Rolle bei der Erhöhung des Proteingehalts erschwert.

„Wir hatten gehofft, dass das Gen, wenn wir es endlich gefunden haben, an etwas Offensichtlichem beteiligt wäre, zum Beispiel an der Stickstofffixierung oder dem Stickstoffstoffwechsel“, sagt Diers. „Aber es stellt sich heraus, dass das wirklich nicht das ist, was man von einem Gen erwarten würde, das ein Protein kontrolliert.“

Stattdessen scheint das Gen Teil der circadianen Maschinerie der Sojabohnenpflanze zu sein; wie die Pflanze die Zeit im Auge behält, um die Photosynthese während des Tages zu maximieren, zu bestimmen, wann sie blüht und Samen setzt, und viele andere Prozesse.

„Es ist absolut ein Standardteil der circadianen Uhr, der zwischen fast allen Pflanzen konserviert ist. Es sieht aus wie ein Transposon oder ein springendes Gen, das in diesem circadianen Uhrgen gelandet ist und eine ganze Reihe neuer Aminosäuren in die Mitte der konservierten Domäne eingefügt hat “, sagt Hudson. „Es könnte sein, dass das Gen daran beteiligt ist, die Produkte der Photosynthese in den Samen zu befördern, oder es könnte ein völlig unabhängiger Weg sein, und wir wissen es wirklich nicht.

Unabhängig davon, wie es funktioniert, könnte die Identifizierung des Gens, das am meisten zum Sojaproteingehalt beiträgt, große Auswirkungen auf die globale Ernährungssicherheit haben.

„Wenn wir den Mechanismus verstehen, sollte er uns Hinweise darauf geben, wie wir Protein erhöhen können, ohne den Ertrag zu verringern“, sagt Diers.

Hudson fügt hinzu: „In vielen Teilen der Welt gibt es erhebliche Probleme mit Proteinmangel. Selbst eine bescheidene Erhöhung des Proteingehalts kann viel bewirken.

Bezug: Fliege CE, Ward RA, Vogel P, et al. Feinkartierung und Klonierung der quantitativen Trait-Loci der wichtigsten Samenproteine ​​auf dem Sojabohnen-Chromosom 20. Fabrik J. 2022. tun: 10.1111/tpj.15658

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