Genetic dissection of terminal heat-stress tolerance in wheat revealed by QTL mapping

Tarwe is het belangrijkste voedselgewas ter wereld, dat dagelijks miljarden mensen voedt. Deze vitale plant heeft echter een specifieke comfortzone voor temperatuur en gedijt het best wanneer de lucht mild is. Terwijl de wereldwijde klimaten verschuiven, worden tarwevelden steeds vaker geconfronteerd met een gevaarlijk probleem dat bekend staat als terminale hittestress. Dit treedt op wanneer de temperaturen scherp stijgen op het moment dat de tarwe aan het bloeien is en haar granen met zetmeel vult. Het is een wrede timing; de plant is het meest kwetsbaar precies wanneer zij haar oogst moet produceren. Hoge hitte tijdens deze laatste weken kan de tijd die het graan heeft om te groeien verkorten, het stuifmeel beschadigen en ervoor zorgen dat de plant voortijdig uitdroogt, wat leidt tot aanzienlijk kleinere oogsten. Voor boeren en wetenschappers is de uitdaging niet alleen om tarwe te verbouwen, maar om tarwe te verbouwen die deze verzengende finales kan overleven. Om dit op te lossen, moeten onderzoekers in de genetische code van de plant kijken om de specifieke instructies te vinden die sommige variëteiten in staat stellen de hitte te weerstaan, terwijl anderen falen.

Een team van wetenschappers zette zich in om deze genetische instructies in broodtarwe in kaart te brengen. Ze begonnen met twee ouderplanten die elk een heel ander verhaal te vertellen hadden. Eén ouder, een variëteit bekend als KSG1203, was van nature taai en kon goed tegen hoge temperaturen. De andere ouder, KSG122jes22, was veel gevoeliger en leed sterk wanneer het weer warm werd. De onderzoekers kruisten deze twee planten om een grote familie van 189 nieuwe nakomelingen te creëren. Deze nakomelingen waren geen eenvoudige hybriden, maar dubbel haploïden, een speciaal type plantlijn waarbij het genetisch materiaal is gefixeerd, wat betekent dat elke plant in de familie een unieke, stabiele combinatie is van de eigenschappen van zijn ouders. Deze familie diende als een levend laboratorium, waardoor de wetenschappers konden zien hoe verschillende mengsels van genen presteerden onder stress.

Om deze planten te testen, plantten de onderzoekers ze op velden in India over twee groeiseizoenen. Ze gebruikten een slimme strategie om verschillende niveaus van hittestress te creëren. Ze zaaiden sommige zaden op de normale, tijdige datum, wat de tarwe een comfortabel begin en een koel einde gaf. Ze zaaiden andere zaden een maand later, waardoor ze werden blootgesteld aan warmere omstandigheden tijdens hun laatste groeifasen. Een derde groep werd nog later geplant en kreeg te maken met de meest extreme hitte die men zich kan voorstellen tijdens de cruciale korrelvullingsperiode. Door te vergelijken hoe de planten groeiden, hoe hoog ze werden, hoe groot hun bladeren waren en hoeveel graan ze produceerden in deze verschillende scenario's, kon het team precies meten hoeveel de hitte hen schade toebracht. Ze ontdekten dat naarmate de zaaitdatum later werd, de planten korter groeiden, hun bladeren krompen en hun graanopbrengst aanzienlijk daalde. De meest gevoelige planten verloren bijna de helft van hun potentiële oogst onder de heetste omstandigheden.

De volgende stap was om in het DNA van deze 189 planten te kijken om de specifieke locaties te vinden die verantwoordelijk zijn voor deze variatie. Het team gebruikte een moderne techniek genaamd genotyping-by-sequencing, die miljoenen kleine verschillen in de genetische code, bekend als single-nucleotide polymorphisms, leest. Ze identificeerden meer dan 12.000 van deze genetische markers om een gedetailleerde kaart van het tarwegenoom te bouwen. Door de genetische kaarten van de planten te vergelijken met hun fysieke prestaties in het veld, brachten de onderzoekers 179 specifieke regio's op de chromosomen in kaart die gekoppeld waren aan hittebestendigheid. Sommige van deze regio's fungeerden als betrouwbare schakelaars, die een consistente boost gaven aan het vermogen van de plant om hitte te overleven, ongeacht het jaar of de locatie. Andere waren meer als variabele draaiknoppen, die de plant alleen hielpen onder specifieke omstandigheden van stress.

Onder de belangrijkste ontdekkingen waren twee specifieke gebieden op de chromosomen die tegelijkertijd meerdere kenmerken leken te controleren. Eén regio op chromosoom 4A was gekoppeld aan het gewicht van het graan, de totale opbrengst en de efficiëntie waarmee de plant haar biomassa in graan omzet. Een andere regio op chromosoom 7D beïnvloedde hoe snel de plant bloeide, de lengte van de stengel en de grootte van de bladeren. Deze bevindingen suggereren dat een enkele genetische verandering op deze plaatsen meerdere aspecten van de prestaties van de plant tegelijkertijd kan verbeteren. De onderzoekers keken ook nauwgezet naar de genen binnen deze regio's. Ze vonden duizenden kandidaat-genen, maar door te filteren op de genen die bekend stonden om hun reactie op hitte, brachten ze de lijst terug tot 170 zeer veelbelovende genen. Deze genen waren betrokken bij cruciale biologische processen, zoals het beschermen van de eiwitten van de plant tegen smelten, het beheren van de stroom van water en voedingsstoffen, en het reguleren van hoe de plant reageert op stresssignalen.

De studie onthulde dat hittebestendigheid niet wordt gecontroleerd door één enkel "supergen", maar een complexe eigenschap is die is opgebouwd uit vele kleine genetische bijdragen. Sommige van de beste hittebestendige eigenschappen kwamen van de taaie ouder, KSG1203, met name die gerelateerd aan graanopbrengst en plantlengte. Echter, de gevoelige ouder, KSG1222, droeg ook waardevolle genetische stukjes bij, vooral voor eigenschappen zoals de duur van de korrelvulling en het aantal zaden per aar. Dit betekent dat om de ultieme hittebestendige tarwe te creëren, kwekers de beste delen van beide ouders zouden moeten combineren. Het onderzoek biedt een duidelijke routekaart voor dit werk, door de specifieke genetische markers te identificeren die gebruikt kunnen worden om de sterkste planten vroeg in het kweekproces te selecteren, lang voordat ze zelfs maar in het veld worden geplant. Door het begrijpen van deze genetische hendels kunnen wetenschappers helpen ervoor te zorgen dat tarwe een betrouwbare voedselbron blijft, zelfs naarmate de wereld warmer wordt.