Germany
November 11, 2010
Crossbreeding can result in incompatible gene combinations
Individuals from the same species can often be crossed without any trouble. However, genes also have their preferences, and some gene variants are not compatible with those found in other individuals of the same species. Natural selection can give rise to gene variants that do not suit the genes of plants from other populations within the same species. In this way, new species may arise. Scientists at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne have now identified such a gene combination. This combination ensures that the incompatible hybrids do not grow well in cold conditions and are unable to control their immune response to pathogens. (Nature Genetics, October 31, 2010)
Incompatible hybrids from crosses between the Arabidopsis thaliana accession Ler and different accessions from Central Asia at low temperatures (14º). Each pair represents two second-generation plants, which are heterozygote (left) or homozygote (right) for the incompatible allele interaction. Because incompatible alleles are recessive, only homozygotes display dwarfism. In contrast, the heterozygotes grow normally.
Image: Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Hybrid plants that carry two or more incompatible gene variants - also known as incompatible alleles - are often sterile and slow-growing. Breeding researchers call such plants with conflicting gene variants incompatible hybrids. However, these deleterious alleles do not simply disappear from nature; some are surprisingly frequent. This would suggest that they are advantageous in their original genetic backgrounds and show their bad side only after breeding. Matthieu Reymond, Rubén Alcázar and their colleagues from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research have studied incompatible hybrids that are produced by crossing Arabidopsis thaliana accessions.
The natural range of this familiar weed, which is also known as thale cress, extends from Japan to the Cape Verdi islands and North America, and from North Africa to northern Sweden. The different variants of the species are known as accessions. If the European accession Ler is crossed with the Asian accession Kas-2 or Kond, incompatible hybrids are produced that only grow as a dwarf form at temperatures below 14 degrees Celsius.
Overactive immune system impedes growth
The Cologne scientists have now discovered the critical allele in Kas-2 and Kond. It is a receptor-like kinase that is involved in the immune response. This allele allows the production of a protein that triggers a stronger immune response in the plant.
The critical allele in Ler maps to within a cluster of Resistance genes. Their gene products also support the plant in defending itself against pathogens. Reymond and Alcázar had demonstrated this connection before, and are still analyzing the precise Ler allele polymorphism(s) within the complex cluster which triggers incompatibility with the Kas-2 and Kond receptor-like kinase alleles. "The dwarf growth would suggest that the Ler allele must have something to do with the plant’s immune system. An activated immune defence system demands considerable metabolic activity of the plant and always operates at the cost of growth," says Matthieu Reymond.
The Cologne scientists remark that isolated Arabidopsis populations accumulate genetic differences over time. Certain genetic differences arise randomly while others are selected because they enable the plant to adapt particularly well to local environments. The incompatible Kas and Kond kinase alleles are common in Asia and show signatures of selection, but do not exist in other parts of the world. They were probably able to spread in Asia as they helped the populations there to attain an optimal immune response. The disastrous over-activity of the immune system only arises when they are crossed with the Ler accession, which they probably never encounter in nature due to the large distance between them. Therefore, a selection pressure against is not expected to be harmful to allele combination.
"The spreading of the incompatibility between the Ler accession and the Asian accessions is a by-product of natural selection in their local environments. This is a good example of how new species may arise that can no longer be crossed with each other," explains Rubén Alcázar.
Related links:
[1] Dangerous Liaisons (MPS press release Sept. 4, 2007)
Original work:
Rubén Alcázar, Ana V. García, Ilkka Kronholm, Juliette de Meaux, Maarten Koornneef, Jane E Parker & Matthieu Reymond
Natural variation at Strubbelig Receptor Kinase 3 drives immune-triggered incompatibilities between Arabidopsis thaliana accessions
Nature Genetics (doi:10.1038/ng.704)
Hybrid-Pflanzen mit überschießendem Immunsystem
Kreuzungen können zu inkompatiblen Genkombination führen
Individuen derselben Art lassen sich meist problemlos kreuzen. Aber auch Gene haben Vorlieben, manche Genvarianten vertragen sich nicht mit denen eines anderen Individuums. Denn durch die natürliche Selektion können sich Genvarianten herausbilden, die nicht mehr zu den Genen von Pflanzen an anderen Standorten passen. Auf diese Weise können sich neue Arten herausbilden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln haben jetzt eine solche Genkombination identifiziert. Sie sorgt dafür, dass die inkompatiblen Hybride bei Kälte schlecht wachsen und ihre Immunantwort gegenüber Krankheitserregern nicht mehr kontrollieren können. (Nature Genetics, 31. Oktober 2010)
Inkompatible Hybride aus Kreuzungen zwischen der Arabidopsis thaliana-Variante Ler und verschiedenen Ökotypen aus Zentralasien bei niedrigen Temperaturen (14º). Die Paare stellen jeweils die für inkompatible Genvarianten heterozygote (links) und homozygote (rechts) Tochterpflanzen der zweiten Generation dar. Da inkompatible Gene rezessiv sind, bleiben nur homozygote Hybride zwergwüchsig. Die heterozygoten Hybriden wachsen dagegen normal.
Bild: MPI für Pflanzenzüchtungsforschung
Pflanzen, die zwei oder mehr nicht zusammen passende Genvarianten - auch Allele genannt - enthalten, sind häufig steril und wachsen langsam. Züchtungsforscher nennen solche Pflanzen mit verfeindeten Genvarianten inkompatible Hybride. Trotzdem verschwinden diese Allele nicht einfach wieder aus der Natur. Einige sind erstaunlich häufig. Das legt die Vermutung nahe, dass sie für ihre Herkunftspflanzen von Vorteil sind und sich erst nach der Kreuzung von ihrer schlechten Seite zeigen. Matthieu Reymond und Rubén Alcázar vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung haben zusammen mit Kollegen inkompatible Hybride untersucht, die bei der Kreuzung von Arabidopsis thaliana entstehen.
Das Verbreitungsgebiet des auch unter dem Namen Ackerschmalwand bekannten Unkrauts reicht von Japan bis zu den Kapverdischen Inseln und Nordamerika und von Nordafrika bis Nordschweden. Die verschiedenen Varianten werden als Ökotypen bezeichnet. Kreuzt man den europäischen Ökotyp Ler mit den asiatischen Ökotypen Kas-2 oder Kond, erhält man inkompatible Hybride, die bei Temperaturen unter 14 Grad Celsius nur eine Zwergform ausbilden. Bei höheren Temperaturen wachsen sie dagegen normal.
Überaktives Immunsystem hemmt Wachstum
Jetzt haben die Kölner Wissenschaftler das kritische Allel in den Ökotypen Kas-2 und Kond entdeckt. Es ist eine so genannte Rezeptor-ähnliche Kinase, die an der Immunabwehr beteiligt ist. Dieses Allel lässt ein Protein entstehen, das eine stärkere Immunantwort in Gang setzt.
Das kritische Allel im Ler-Ökotyp wiederum liegt in einem Bereich des Erbgutes, in dem sich viele Resistenzgene aneinanderreihen. Deren Genprodukte unterstützen die Pflanze ebenfalls bei der Abwehr von Krankheitserregern. Reymond und Alcázar haben diesen Zusammenhang bereits früher nachgewiesen, kennen aber noch nicht die genaue Variation im Ler-Allel, die sich nicht mit den Allelen Kas-2 oder Kond verträgt. "Dass das Ler-Allel etwas mit dem Immunsystem der Pflanze zu tun haben muss, legt der Zwergwuchs nahe. Ein aktiviertes Abwehrsystem verlangt der Pflanze eine erhebliche Stoffwechselleistung ab und geht immer auf Kosten des Wachstums", sagt Matthieu Reymond.
Die Kölner Wissenschaftler nehmen an, dass die isolierten Populationen der Ackerschmalwand über die Zeit verschiedene genetische Änderungen angesammelt haben. Einige sind zufällig entstanden, während andere selektiert wurden, da sie eine besonders gute Anpassung an die örtlichen Gegebenheiten möglich gemacht haben. Die inkompatiblen Kas und Kond-Kinase Allele kommen in Asien häufig vor und zeigen dort Zeichen einer natürlichen Selektion, während sie in anderen Teilen der Welt nicht zu finden sind. Sie konnten sich vermutlich in Asien ausbreiten, weil sie den dortigen Populationen zu einer optimalen Immunantwort verhelfen. Die desaströse Überaktivität des Immunsystems erzeugen sie erst bei der Kreuzung mit dem Ler-Ökotyp, dem sie aber in der Natur wegen der großen räumlichen Distanz vermutlich nie begegnen werden. Für die schädliche Kombination gibt es deshalb keinen Selektionsdruck.
"Die Ausbreitung der Imkompatibilität zwischen Ler-Ökotyp und den asiatischen Ökotypen ist ein Nebenprodukt der natürlichen Selektion in den örtlichen Umgebungen. Sie ist ein gutes Beispiel dafür, wie neue Arten entstehen, die dann nicht mehr miteinander gekreuzt werden können", erklärt Rubén Alcázar.
Verwandte Links:
[1] Gefährliche Liebschaften
Originalveröffentlichung:
Rubén Alcázar, Ana V. García, Ilkka Kronholm, Juliette de Meaux, Maarten Koornneef, Jane E Parker & Matthieu Reymond
Natural variation at Strubbelig Receptor Kinase 3 drives immune-triggered incompatibilities between Arabidopsis thaliana accessions
Nature Genetics (doi:10.1038/ng.704)
Topics
Species
