Würzburg, Germany
July 14, 2021
The characteristics of plants of the same species can have different genetic causes depending on their origin. This is shown by a recent study at the University of Würzburg.
The genetic material of the thale cress comprises around 125 million base pairs. A team from the University of Würzburg has now taken a closer look at three million of them. (Image: Arthur Korte)
What the fruit fly is to zoologists, the thale cress is to botanists. The widespread herb with the botanical name Arabidopsis thaliana serves them as a model organism from which knowledge can be gained for other plants. It is therefore extremely well researched - also genetically. For example, it is now known that the genetic material of Arabidopsis thaliana (its genome) comprises around 125 million base pairs. It's like having a Lego manual in front of you that is 125 million letters long and contains everything you need to know to build an Arabidopsis plant.
Similar to humans, different Arabidopsis specimens are generally not genetically identical. If you were to compare the construction manual of all plants of this species, you would encounter differences in about 10 million places, experts estimate. "We have now taken a closer look at three million of these variable sites in the genome," explains Arthur Korte, junior professor of Evolutionary Genomics at the University of Würzburg. "And we did so in nearly 900 Arabidopsis plants from very different locations across Europe, from southern Spain to central Sweden."
For botanists, the variations in the genome are very interesting. because they are responsible for differences between individual Arabidopsis plants. Some plants can, for example, cope better with drought, while others are more resistant to frost. "To some extent, these are traits that we would like to introduce into our crop plants," Korte explains. "But to do that, we first need to know which genetic differences are related to which traits in the plant."
Too much heterogeneity is harmful
Classically, scientists use a method known by the abbreviation "GWAS" (genome-wide association study) for this purpose. They examine the genomes of thousands of plants and look for changes in the genetic blueprint that are particularly frequently associated with certain traits, such as better drought resistance. The more specimens one compares in this way, the more such links between genotype (the individual genetic blueprint) and phenotype (the properties of the plant in question) should stand out.
"But we were able to show in our study that this is not necessarily the case," Korte emphasizes. "Instead, it's sometimes better to limit yourself to fewer specimens from a defined local area." The reason: plant populations that grow in locations with very different conditions often differ significantly in their genomes. This heterogeneity might lead to the scenario that a trait such as drought resistance has very different genetic origins in different locations. "Therefore, if a GWAS includes many plants with very high genetic heterogeneity, it may miss important associations between genotype and phenotype," Korte says.
In their study, the scientists were indeed able to demonstrate this effect. On the one hand, they conducted a GWAS of all nearly 900 plants. In addition, they also examined only subpopulations - for example, those Arabidopsis specimens that had been collected on the southern Iberian Peninsula. "In doing so, we found genetic correlations that were not seen in the overall population because they had become too diluted there," says Korte. "These results show that valuable new insights can be gained from smaller, more genetically homogeneous samples." That applies not only to plants, by the way, but just as much to GWAS in humans.
Local adaptations are often based on changes in gene networks
The study also provides interesting insights into the evolution of new traits: genetic adaptations to local conditions (for example, to a particularly dry environment) are usually not based on the fact that a single "drought gene" has changed and thus become more effective. Instead, they often involve regulator genes, which in turn intervene entire networks of traits. "These regulators could then provide a better fine-tuning of already existing metabolic pathways," says Korte.
This finding is also relevant for breeding new varieties. In the past, it was often thought that one simply had to cross a certain gene into a breeding line in order to obtain the desired trait there. In the meantime, however, it has become increasingly clear that networks of many different factor have to be considered. "We are now learning better and better how to identify such networks," says Korte. “With this knowledge, it might be possible in the future to adapt today's crops to new challenges such as climate change. "
Publication
William Andres Lopez-Arboleda, Stephan Reinert, Magnus Nordborg, Arthur Korte, Global genetic heterogeneity in adaptive traits, Molecular Biology and Evolution, 2021; https://doi.org/10.1093/molbev/msab208
Genomstudien: Mehr ist nicht immer besser
Die Eigenschaften von Pflanzen derselben Art können je nach Herkunft unterschiedliche genetisch Ursachen haben. Das zeigt eine aktuelle Studie der Universität Würzburg.
Was für Zoologen die Taufliege, ist für Botaniker die Ackerschmalwand. Das weit verbreitete Kraut mit dem botanischen Namen Arabidopsis thaliana dient ihnen als Modellorganismus, aus dem sich Erkenntnisse für andere Pflanzen gewinnen lassen. Es ist daher äußerst gut erforscht - auch genetisch. So weiß man heute etwa, dass das Erbgut der Ackerschmalwand (ihr Genom) rund 125 Millionen Basenpaare umfasst. Es ist, als hätte man eine Lego-Anleitung vor sich, die 125 Millionen Buchstaben lang ist und alles enthält, was man für den Bau einer Arabidopsis-Pflanze wissen muss.
Ähnlich wie Menschen sind auch verschiedene Ackerschmalwand-Exemplare genetisch in der Regel nicht identisch. Wenn man die Bauanleitung sämtlicher Pflanzen dieser Art vergleichen würde, würde man an rund zehn Millionen Stellen auf Unterschiede stoßen, schätzen Experten. „Wir haben uns nun drei Millionen dieser variablen Stellen im Genom genauer angesehen“, erklärt Arthur Korte, Juniorprofessur für evolutionäre Genomik an der Universität Würzburg. „Und zwar bei fast 900 Arabidopsis-Pflanzen von ganz verschiedenen Standorten in Europa, von Südspanien bis Mittelschweden.“
Für Botaniker sind die Variationen im Genom sehr interessant. Denn sie sorgen dafür, dass sich einzelne Arabidopsis-Pflanzen unterscheiden - dass die eine zum Beispiel besser mit Trockenheit zurecht kommt, die andere dagegen mit Frost. „Zum Teil sind das auch Eigenschaften, die wir ganz gezielt in unsere Kulturpflanzen einbringen möchten“, erklärt Korte. „Dazu müssen wir aber zunächst einmal wissen, welche genetischen Unterschiede mit welchen Eigenschaften der Pflanze zusammenhängen.“
Zuviel Heterogenität schadet
Klassischerweise nutzen Wissenschaftler dazu eine Methode, die unter dem Kürzel „GWAS“ (genomweite Assoziationsstudie) firmiert. Dabei nehmen sie das Erbgut Tausender Pflanzen unter die Lupe und suchen nach Änderungen der genetischen Bauanleitung, die besonders häufig mit bestimmten Eigenschaften assoziiert sind, zum Beispiel einer besseren Dürre-Resistenz. Je mehr Exemplare man so vergleicht, desto stärker sollten solche Verbindungen zwischen Genotyp (der individuellen genetischen Bauanleitung) und Phänotyp (den Eigenschaften der jeweiligen Pflanze) ins Auge stechen.
„Wir konnten in unserer Studie aber zeigen, dass das nicht unbedingt so ist“, betont Korte. „Stattdessen ist es manchmal besser, sich auf weniger Exemplare zu beschränken, die dafür aber alle aus einer ähnlichen Gegend kommen.“ Der Grund dafür: Pflanzenpopulationen, die an Standorten mit sehr unterschiedlichen Bedingungen wachsen, unterscheiden sich in ihrem Genom oft erheblich. Diese Heterogenität kann dafür sorgen, dass eine Eigenschaft wie die Dürreresistenz an einem Standort ganz andere genetische Ursachen hat als an einem anderen. „Wenn eine GWAS viele Pflanzen mit sehr großer genetischer Heterogenität umfasst, können ihr daher wichtige Assoziationen zwischen Genotyp und Phänotyp entgehen“, sagt Korte.
In ihrer Studie konnten die Wissenschaftler diesen Effekt tatsächlich nachweisen. Sie führten dazu einerseits eine GWAS sämtlicher knapp 900 Pflanzen durch. Zusätzlich untersuchten sie aber auch nur Teilpopulationen - zum Beispiel diejenigen Arabidopsis-Exemplare, die auf der südiberischen Halbinsel gesammelt worden waren. „Dabei fanden wir dann genetische Zusammenhänge, die bei der Gesamtpopulation nicht zu sehen waren, weil sie sich dort zu sehr verdünnt hatten“, sagt Korte. „Diese Ergebnisse zeigen, dass sich aus kleineren, genetisch homogeneren Stichproben wertvolle neue Erkenntnisse gewinnen lassen.“ Das gelte übrigens nicht nur für Pflanzen, sondern genauso auch für GWAS beim Menschen.
Lokale Anpassungen beruhen oft auf Änderungen von Gen-Netzwerken
Die Studie liefert zudem interessante Einblicke in die Evolution neuer Eigenschaften: Genetische Anpassungen an lokale Gegebenheiten (zum Beispiel an eine besonders trockene Umgebung) basieren meist nicht darauf, dass sich beispielsweise eine einzelne „Dürre-Erbanlage“ verändert hat und damit wirksamer wurde. Stattdessen betreffen sie häufig Regulator-Gene, die ihrerseits in ganze Netzwerke von Erbanlagen eingreifen. „Diese Regulatoren sorgen dann zum Beispiel für ein besseres Feintuning bereits existierender Stoffwechselwege“, sagt Korte.
Diese Erkenntnis ist auch für die Züchtung neuer Sorten relevant. Früher habe man oft gedacht, man müsse einfach nur ein bestimmtes Gen in eine Zuchtlinie einkreuzen, um dort die gewünschte Eigenschaft zu erhalten. Inzwischen kristallisiere sich aber mehr und mehr heraus, dass Netzwerke sehr vieler unterschiedlicher Erbanlagen für diese Eigenschaft nötig seien. „Wir lernen inzwischen immer besser, solche Netzwerke zu identifizieren“, sagt Korte. „Mit diesem Wissen sollte es zukünftig möglich sein, heutige Kulturpflanzen an neue Herausforderungen wie etwa den Klimawandel anzupassen.“
Publikation
William Andres Lopez-Arboleda, Stephan Reinert, Magnus Nordborg, Arthur Korte, Global genetic heterogeneity in adaptive traits, Molecular Biology and Evolution, 2021; https://doi.org/10.1093/molbev/msab208
Topics
Species
