Gezielte Restrukturierung von Pflanzengenomen

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Puchta
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525056485

Durch den Einsatz von CRISPR/Cas-basierten Werkzeugen wurden bereits vielfältige Erfolge bei der Verbesserung einzelner Merkmale von Kulturpflanzen erreicht. Allerdings hat die Technologie noch ein wesentlich größeres ungenutztes Potenzial, wenn sie in einer sehr viel globaleren Weise zur Optimierung von Pflanzengenomen genutzt würde. Das vorliegende Projekt setzt sich zum Ziel, neue Wege der Restrukturierung des Pflanzengenoms mittels Chromosomen Engineering und Chromosomen Elimination zu etablieren und die Zytologie von einer beschreibenden in eine gestaltende Wissenschaft zu überführen. Es ist geplant, das Pflanzengenom auf verschiedenen Ebenen gezielt zu verändern: Es sollen Rekombinations-supprimierende Zentromere innerhalb von Chromosomen gerichtet versetzt werden, um so den genetischen Austausch gezielt in neue Bereiche zu lenken. Wir planen die Größe von Chromosomen durch Translokation ganzer Arme zu maximieren und zu minimieren. So sollen Minichromomen mit funktionellen Zentromeren als Träger synthetischer Information etabliert werden. Mit der Induktion von Chromosomenfusion und -spaltung sollten wir die Anzahl der Chromosomen einer Spezies verändern können. Letztlich sollten wir durch eine Abfolge von mehreren Genomrestrukturierungen hintereinander eine genetischen Isolation mit der Ausgangsart erreichen und so eine neue Spezies erzeugen können. Weiterhin sollen durch das gezielte Ausschalten spezifischer Zentromer-Repeats entweder einzelne Chromosomen oder ein ganzer elterlicher Chromosomensatz in Hybriden eliminiert werden. Dies sollte uns neue Möglichkeiten eröffnen, (Di)Haploidisierung zu erreichen oder neue chromosomale Substitutionslinien zu erhalten. Zusätzlich werden wir auch versuchen durch spezifische Chromosomeneliminierung das Genom einer allotetraploiden Art zu verkleinern. Die Experimente werden in Arabidopsis thaliana und der nahe verwandten amphidiploiden Art A. suetica durchgeführt werden. Durch die kurze Generationszeit, die einfachen Kulturbedingungen, sowie durch die Möglichkeit, eine große Menge an Pflanzen anzuziehen und zu screenen ist Arabidopsis die ideale Modellpflanze um diese Fragestellungen innerhalb der Laufzeit des Projekts erfolgreich zu bearbeiten. Welche Konsequenzen die induzierten genomischen Veränderungen auf die Vererbung haben, kann dann durch einfache Kreuzungsexperimente mit unterschiedlichen Wildisolaten durch Markeranalysen charakterisiert werden. Das Projekt wird die Anwendung von CRISPR/Cas auf ein ganz neues Niveau heben, was uns nicht nur das Erschaffen synthetischer Pflanzengenome, sondern auch grundlegende Verbesserungen im Bereich der Pflanzenzüchtung ermöglichen wird. Auf lange Sicht wird es so für Züchter leichter werden den gesamten Genpool einer Spezies zu nutzen und Kulturpflanzen besser im Hinblick auf die globale Erwärmung zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte