Analysis of small RNA expression in the context of heterosis formation in Zea mays L.

Abstract

Heterosis, a phenomenon resulting in the superior performance of heterozygous hybrids in comparison to their homozygous parental inbred lines, is extensively exploited in agriculture, but the molecular basis is still unknown. It was hypothesized that epigenetics and small RNAs are components in the establishment of heterosis. Various studies showed differences in small RNA expression between two inbred lines as well as their hybrid offspring, but whether small RNAs are involved in the formation of heterosis remained unanswered. In this study, bioinformatical analyses of small RNA sequencing libraries of hybrids containing an inducible gene silencing suppressor, which affects small RNAs, were performed to elucidate a functional participation in the establishment of heterosis. The analysis revealed a significant increase of heterosis due to the reduction of the small RNA population complexity. A second experiment was performed to analyze and associate the contribution of sRNAs in a multiplicity of parental genotypes from a maize breeding population with their hybrid traits. The analysis revealed antagonistically acting heterosis associated small RNAs, with a predominant negative component in the formation of heterosis. The heterosis associated small RNAs were found to exhibit distinct localization throughout the maize genome and relative to genes, allowing the assumption of putative mechanisms of acting. The heterosis associated small RNAs in the inbred parents were shown to be highly predictive for the heterosis observed in their hybrids. The findings of this study reveal small RNAs as an important component in the establishment of heterosis in maize uncovering currently hidden potential in hybrid breeding.

Heterosis beschreibt das Phänomen der überlegenen Leistungsfähigkeit von heterozygten Hybriden im Vergleich zu deren homozygoten parentalen Inzuchtlinien. Trotz der langen und erfolgreichen Nutzung der Hybridzucht in der Landwirtschaft konnte die molekulare Grundlage der Heterosis noch nicht aufgeklärt werden. Es wurde vermutet, dass epigenetische Mechanismen und kurze RNAs eine Komponente in der Entstehung der Heterosis sind. Eine Vielzahl jüngster Studien zeigten Unterschiede in der Expression von kurzen RNAs sowohl zwischen Inzuchtlinien als auch zu deren Hybridnachkommen. Ob diese Unterschiede eine Beteiligung in der Ausbildung der Heterosis bedeuten, blieb jedoch unbeantwortet. In dieser Arbeit wurde über bioinformatische Analysen von kurzen RNA- Tiefensequenzierungsdaten von Hybriden, welche einen induzierbaren viralen Gene Silencing Suppressor mit einer Wirkung auf kurze RNAs enthalten, eine funktionelle Beteiligung der kurzen RNA an der Entstehung von Heterosis untersucht. Die Untersuchung deckte eine signifikante Zunahme der Heterosis aufgrund der Reduktion der Populationskomplexität von kurzen RNAs auf. In einem zweiten Experiment wurde die Beteiligung von kurzen RNAs an der Entstehung von Heterosis in einer Vielzahl von elterlichen Genotypen einer Mais-Zuchtpopulation über die Assoziation mit deren resultierenden Hybridmerkmalen untersucht. Die Analyse deckte antagonistisch wirkende heterosis-assoziierte kurze RNAs mit einem überwiegend negativen Anteil in der Ausbildung von Heterosis auf. Die heterosis-assoziierten kurzen RNAs weisen unterschiedliche Lokalisierungen im Maisgenom und relativ zu Genen auf, was einen Rückschluss auf mögliche Wirkmechanismen erlaubt. Die heterosis-assoziierten kurzen RNAs in den elterlichen Linien weisen eine hohe Vorhersagekraft für die in den Hybriden beobachtete Heterosis auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit decken kurze RNAs als eine wichtige Komponente in der Entstehung von Heterosis in Mais auf und deuten auf ein bisher verborgenes Potential in der Hybridzucht hin.