Heterosis assoziierte Genexpression in frühen Entwicklungsstadien von Zea mays L.

Abstract

Heterosis bezeichnet eine erhöhte Vitalität, die nur bei mischerbigen Pflanzen und Tieren auftritt und zu erheblichen Ertragssteigerungen führen kann. Obwohl Heterosis seit einem Jahrhundert in der Landwirtschaft extensiv eingesetzt wird, ist die molekulare Basis des Phänomens bislang weitgehend ungeklärt. Ziel dieser Arbeit war es, Heterosis in der frühen Kornentwicklung von Mais, kurz nachdem zwei unterschiedliche Genome durch die Befruchtung vereint wurden und gemeinsam die Entwicklung des Embryos und Endosperms steuern, zu untersuchen. Neben einer phänotypischen Charakterisierung zur Bestimmung des Ausmaßes von Heterosis in diesen beiden Geweben sollten assoziierte Gene, deren Expressionsmuster, sowie deren Regulation analysiert werden. Die Identifikation und Charakterisierung von Heterosis assoziierten Genen und Expressionsmustern sollte den Einstieg zur Erforschung von regulatorischen Netzwerken und Mechanismen ermöglichen, die für die Ausprägung des Phänomens von Bedeutung sind. Zwei dent Inzuchtlinien und eine flint Inzuchtlinie mit unterschiedlicher genetischer Distanz und deren heterozygoten Nachkommen, die Heterosis verschieden stark ausprägen, bildeten die Basis für die Untersuchungen dieser Arbeit. Das diploide Embryogewebe und triploide Endosperm wurden getrennt analysiert, um Unterschiede, die durch die verschiedenen genomischen Verhältnisse bedingt sind, aufzeigen zu können. Für Hybridembryonen wurde eine erhöhte Zellteilungsrate gezeigt, die bereits 6 Tage nach der Befruchtung zu erheblichen Größenunterschieden gegenüber den Elternlinien führt. Die Größenzunahme war signifikant, beständig nachweisbar und betrug maximal 180% im Vergleich zur mütterlichen Inzuchtlinie. Geringere Zuwachsraten und eine stark mütterlich geprägte Größe waren für das Endospermgewebe der Hybride feststellbar. Sechs Tage nach der Befruchtung weist die Existenz der heterotischen Merkmale auf eine veränderte Genexpression in Hybridgeweben hin, die durch den Vergleich mit der Genexpression der elterlichen Inzuchtlinien sowohl im differentiellen Screening als auch in den Untersuchungen mit dem fokussierten Microarray nachgewiesen werden konnte. Im Embryo konnte eine Assoziation von Heterosis mit Genen, die mit der Signaltransduktion und anderen regulatorischen Prozessen in Verbindung stehen, durch den verstärkten Nachweis differentiell exprimierter Gene dieser funktionellen Klassen festgestellt werden. Im Endospermgewebe der Hybride wurde sechs Tage nach der Befruchtung vorwiegend dosisabhängige Genexpression nachgewiesen, aber auch ein deutlicher Einfluss der väterlichen Allele gezeigt. Ein Indiz für die Beteiligung der hormonellen Regulation an Heterosis war die Identifikation der differentiellen Expression des Gens dwarf8, ein orthologes Gen zu dem Gibberellin insensitiven Gen aus Arabidopsis. Dwarf8 wies in allen Hybrid-Inzucht-Vergleichen ein überdominantes Expressionsverhalten in den Endospermgeweben der Hybride auf. Allelische genregulatorische Interaktionen in Embryo- und Endospermgewebe der Hybride konnten durch den Nachweis dominanter und überdominanter Genexpressionsmuster übereinstimmend in den Expressionsanalysen des differentiellen Screenings, der Microarray-hybridisierungen und der quantitativen RT-PCR Untersuchungen aufgezeigt werden. Durch allelspezifische Analysen von 20 Genen, konnten Heterosis assoziierten Genexpressionsmustern in sechs und acht Tage alten Embryonen eine regulatorische Basis zugeordnet werden. Diese Daten deckten eine Regulationsumstellung in diesem Zeitraum auf. Während in sechs Tage alten Hybridembryonen eine stark trans-regulierte Expression festgestellt wurde, war diese in acht Tage alten Embryonen vorwiegend cis-geprägt. Diese Regulationsumstellung deutet auf molekulare Prozesse der frühen Embryogenese hin, die mit der Justierung einer kombinierten Expression der elterlichen Allele und damit auch mit der Etablierung von Heterosis in Zusammenhang stehen. Gleichwertige elterliche Genomaktivitäten konnten in Zea mays schon vor der ersten Zellteilung sowie in drei und sechs Tage alten Embryonen durch allelspezifische Expressions-analysen von 20 Genen gezeigt werden. Eine schwache Präferenz für maternale Transkripte verringerte sich schnell und ist sechs Tage nach der Befruchtung vollständig aufgehoben. Diese Ergebnisse zeigen, dass in Mais die Embryonalentwicklung umgehend nach der Befruchtung durch beide elterlichen Genome kontrolliert wird. Damit sind wesentliche Voraussetzungen für Heterosis bereits in der Zygote gegeben und bieten eine Erklärung für die beachtlichen Größenunterschiede zwischen Hybridembryonen und Embryonen der mütterlichen Inzuchtlinie in der frühen Kornentwicklung.