Das Kältetoleranzgen von Reis bietet neue Möglichkeiten für die Züchtung widerstandsfähiger Sorten

Ein Gen namens COLD6 trägt zur Kältetoleranz von Reis bei und bietet möglicherweise einen Weg, durch molekulares Design eine Reissorte mit größerer Widerstandsfähigkeit gegen Kältestress zu erzeugen. Dieses Werk erscheint am 30. Oktober in Molekulare Zelle.

„Kälteschäden sind eine große Herausforderung bei der Reisproduktion, und die Identifizierung wichtiger genetischer Module in Signalwegen ist ein entscheidender Schritt zur Lösung dieses Problems“, sagt Kang Chong, Hauptautor der Studie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

„Unsere Forschung hat sich darauf konzentriert, den molekularen Mechanismus hinter der Reaktion von Nutzpflanzen auf Kältestress aufzudecken. Wir hoffen, durch molekulares Design die Kältetoleranz zu verbessern und letztendlich die Erträge auch bei Schäden durch Kälte zu stabilisieren.“

Reis spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der globalen Ernährungssicherheit. Da bereits mehr als 15 Millionen Hektar Reisanbaugebiete von der Abkühlung aufgrund des Klimawandels betroffen sind, stellen niedrige Temperaturen in 24 Ländern eine erhebliche Herausforderung für den Reisanbau dar.

Dementsprechend besteht ein Hauptziel in der Landwirtschaft darin, Reissorten mit erhöhter Kältetoleranz durch molekulares Design zu entwickeln. Obwohl bekannt ist, dass Temperatursensoren Ca auslösen²⁺ Signalisierung, um Zellen Kältetoleranz zu verleihen, ist weniger über die Sensoren bekannt, die mit anderen sekundären Nachrichten gekoppelt sind.

„Lange wurde angenommen, dass Kältesensoren mit Kalziumionen koppeln, um die Temperaturwahrnehmung in Zellen auszulösen“, sagt Chong.

„Unsere Studie enthüllt einen neuen Weg für die Temperaturwahrnehmung in Zellen. Wir fanden heraus, dass ein COLD6-OSM1-Modul in der Plasmamembran die Produktion des Signalmoleküls 2,3‘-cAMP über die Kalziumsignalisierung hinaus auslöst, um eine Abwehr auszulösen Reaktion gegen niedrige Temperatur.“

In der neuen Studie identifizierten Chong und Kollegen einen Kältesensorkomplex, der aus Kältetoleranzdivergenz 6 (COLD6) und einem Osmotin-ähnlichen Protein (OSM1) besteht. Unter normalen Bedingungen interagiert COLD6 mit der Reis-G-Protein-α-Untereinheit (RGA1) an der Plasmamembran.

Unter kalten Bedingungen bindet OSM1 physisch an COLD6 und stößt RGA1 aus. Dieser Prozess führt zusammen mit einem Anstieg von OSM1 zu einer Erhöhung des 2,3′-cAMP-Spiegels, was letztendlich zu einer Verbesserung der Kühltoleranz von Reis führt. Diese Signalmechanismen können auch auf andere Nutzpflanzen übertragen werden und deren Kältetoleranz verbessern. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um den genauen Mechanismus zu bestimmen, der dem COLD6-OSM1-Modul zugrunde liegt.

Forscher zeigten, dass die Inaktivierung und natürliche Variation von COLD6 in Hybridreis die Kältetoleranz verbessert. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Allelvariation von COLD6 eine Rolle bei der geografischen Anpassung an die Wachstumstemperatur spielt.

Den Autoren zufolge stimmen die Ergebnisse mit molekularen Beweisen für die Domestizierung von Reis überein, was darauf hindeutet, dass eine erhebliche Anzahl domestizierter Allele aus dem Wildreis Süd- und Südostasiens stammt.

„Insgesamt deuten unsere Ergebnisse auf neue Strategien zur Züchtung kältetoleranter Reissorten hin“, sagt Chong.

„Durch das Verständnis der Funktionsweise des COLD6-OSM1-Komplexes können Züchter möglicherweise Reis entwickeln, um die Erträge auch angesichts von Kälteschäden zu stabilisieren, was angesichts der globalen Temperaturschwankungen von entscheidender Bedeutung ist.“