Düsseldorf, Germany
August 11, 2025
In a recent Nature Genetics publication, an international team led by Dr. Thomas Hartwig and Dr. Julia Engelhorn (Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Cologne; Heinrich Heine University Düsseldorf) introduces a scalable method to map genomic regulatory regions—often referred to as “switches” for their role in controlling the timing and strength of gene expression. Until now, most research has focused on genes themselves, but this study demonstrates that many crucial trait differences originate from variation in these regulatory switches, which have long been notoriously difficult to study on a large scale.
© HHU / Andi Kur
Natural genetic variation drives biodiversity and evolution—but adapting crops to today’s rapidly shifting climate cannot wait the millennia that evolution typically demands. To safeguard global food security, researchers must urgently identify DNA variants that enhance crop performance under stress—starting now.
In a recent Nature Genetics publication, an international team led by Dr. Thomas Hartwig and Dr. Julia Engelhorn (Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Cologne; Heinrich Heine University Düsseldorf) introduces a scalable method to map genomic regulatory regions—often referred to as “switches” for their role in controlling the timing and strength of gene expression. Until now, most research has focused on genes themselves, but this study demonstrates that many crucial trait differences originate from variation in these regulatory switches, which have long been notoriously difficult to study on a large scale.
Analyzing 25 diverse maize hybrids, the researchers pinpointed over 200,000 genomic regions where natural variation impacts regulatory switches. These variations significantly influence key agronomic traits such as plant height, leaf morphology, and tolerance to drought and disease.
Remarkably, although these regulatory switches make up less than 1 % of the genome, variation at these sites often explains a substantial share of heritable trait differences—sometimes exceeding half. This discovery offers plant breeders a powerful new avenue: targeting regulatory switches to accelerate the development of climate-resilient varieties.
Dr. Hartwig comments, “Understanding how these regulatory switches operate provides powerful new tools to enhance both crop resilience and yield—laying the foundation for smarter crops in the future.”
The team applied their method specifically to drought stress, identifying over 3,500 individual regulatory switches and their associated genes that respond to water-limited conditions. The precision of this mapping enables targeted manipulation of these switches to develop plants with improved drought resilience.
Dr. Engelhorn adds, “Our hybrid-based assay allows direct comparison of maternal and paternal regulatory alleles in a single experiment. We now offer the research community a resource of over 3,500 drought-linked regulatory sites—opening new possibilities to fine-tune gene expression for enhanced robustness.”
Co-author Samantha Snodgrass (University of California, Davis) underscores the shift in perspective: “Despite decades of revolutionary work on genome evolution, much of the non-coding genome remains a black box. This exciting new method pulls back the curtain—providing breeders and biologists with precise targets in regions previously overlooked.”
The study was supported by a broad range of funding sources, including the CEPLAS Cluster of Excellence on Plant Sciences at HHU—focused on developing ’SMART plants in dynamic environments’—and the European Horizon Europe project BOOSTER, which aims to boost drought resilience in cereals. Additional support came from the German Research Foundation (DFG), the Alexander von Humboldt Foundation, the U.S. National Science Foundation, the U.S. Departments of Agriculture and Energy, the EU’s Seventh Framework Programme, and the Helmholtz Association.
Entdeckung zeigt regulatorische DNA als bislang ungenutzte Goldgrube für Pflanzenzüchtung und Klimaanpassungsfähigkeit
In einer kürzlich im Nature Genetics erschienenen Publikation stellt ein internationales Team unter Leitung von Dr. Thomas Hartwig und Dr. Julia Engelhorn (Max‑Planck‑Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Köln; Heinrich‑Heine‑Universität Düsseldorf) eine skalierbare Methode zur Kartierung genomischer regulatorischer Regionen vor – häufig als „Schalter“ bezeichnet, da sie das Timing und Ausmaß der Genexpression steuern. Während sich bisher die Forschung überwiegend auf Gene selbst konzentrierte, zeigt diese Studie, dass viele entscheidende Merkmalsunterschiede auf Variation in diesen regulatorischen Schaltern zurückzuführen sind – Regionen, die traditionell schwer großflächig untersucht werden konnten.
Illustration der neuartigen Analysemethode. Die Traktoren stellen sogenannte Transkriptionsfaktoren dar: Proteine, die an genetische Schalter binden und Gene somit an- und abschalten können. Die Methode vergleicht das Erbgut von zwei verschiedenen Elternteilen, die unterschiedliche Eigenschaften haben (hier illustriert durch unterschiedliche Größe), innerhalb einer Hybridpflanze. Dadurch kann bestimmt werden, ob eine Änderung an der Schaltersequenz (orange Boxen) zu mehr oder weniger Bindung der Transkriptionsfaktoren führt, und dadurch Merkmale verändert. (Grafik: HHU / Andi Kur, unter Lizenz BY-NC-SA) - © HHU / Andi Kur
Natürliche genetische Variation treibt Biodiversität und Evolution an – aber die Züchtung klimaangepasster Kulturpflanzen kann nicht auf evolutionäre Zeiträume warten, die Jahrtausende benötigen. Um die globale Ernährungssicherheit zu gewährleisten, müssen Forscher jetzt dringend DNA‑Varianten identifizieren, die unter Stressbedingungen die Leistungsfähigkeit von Kulturpflanzen verbessern.
In einer kürzlich im Nature Genetics erschienenen Publikation stellt ein internationales Team unter Leitung von Dr. Thomas Hartwig und Dr. Julia Engelhorn (Max‑Planck‑Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Köln; Heinrich‑Heine‑Universität Düsseldorf) eine skalierbare Methode zur Kartierung genomischer regulatorischer Regionen vor – häufig als „Schalter“ bezeichnet, da sie das Timing und Ausmaß der Genexpression steuern. Während sich bisher die Forschung überwiegend auf Gene selbst konzentrierte, zeigt diese Studie, dass viele entscheidende Merkmalsunterschiede auf Variation in diesen regulatorischen Schaltern zurückzuführen sind – Regionen, die traditionell schwer großflächig untersucht werden konnten.
Bei der Analyse von 25 unterschiedlichen Mais-Hybriden identifizierten die Forschenden über 200.000 genomische Regionen, in denen natürliche Variation regulatorische Schalter beeinflusst. Diese Variationen wirken sich nachweislich auf zentrale agronomische Merkmale wie Wuchshöhe, Blattmorphologie sowie Toleranz gegenüber Trockenheit und Krankheit aus.
Erstaunlich: Obwohl diese regulatorischen Schalter weniger als 1 % des Genoms ausmachen, erklärt Variation an diesen Stellen häufig einen erheblichen Anteil der erblichen Merkmalsunterschiede – und in manchen Fällen sogar mehr als die Hälfte. Diese Erkenntnis eröffnet Züchtern einen mächtigen neuen Hebel: die gezielte Veränderung regulatorischer Schalter zur Beschleunigung der Entwicklung klimaresilienter Sorten.
Dr. Hartwig kommentiert: “Das Verständnis, wie diese regulatorischen Schalter wirken, liefert uns kraftvolle Werkzeuge zur Verbesserung sowohl der Anpassungsfähigkeit als auch der Ertragsleistung von Kulturpflanzen – und bildet die Basis für intelligentere Sorten der Zukunft.”
Die Forschenden wendeten ihre Methode gezielt auf Trockenstress an und identifizierten über 3.500 einzelne regulatorische Schalter sowie die dazugehörigen Gene, die auf wasserminimierte Bedingungen reagieren. Die Präzision dieser Kartierung ermöglicht es, diese Schalter gezielt zu modifizieren und Pflanzen mit verbesserter Trockenresilienz zu entwickeln.
Dr. Engelhorn fügt hinzu: “Unser hybridenbasierter Assay erlaubt den direkten Vergleich maternaler und paternaler regulatorischer Allele innerhalb eines einzigen Experiments. Wir stellen der Mais-Forschungsgemeinschaft nun einen Katalog von über 3.500 trockenheitsassoziierten Regulatorstellen zur Verfügung – und eröffnen neue Möglichkeiten, die Genexpression gezielt für erhöhte Robustheit zu optimieren.”
Co-Autorin Samantha Snodgrass (University of California, Davis) betont den Perspektivwechsel: “Trotz jahrzehntelanger bahnbrechender Forschung zur Genomevolution bleibt ein großer Teil des nicht-kodierenden Genoms eine Blackbox. Diese spannende neue Methode zieht den Vorhang zurück – und bietet Züchtern und Biolog:innen präzise Ziele in zuvor übersehenen Bereichen.”
Die Studie wurde von einer Vielzahl großer Fördergeber unterstützt, darunter der Exzellenzcluster CEPLAS an der HHU – mit dem Schwerpunkt auf ‚SMARTe Pflanzen in dynamischen Umwelten – sowie das europäische Horizon Europe‑Projekt BOOSTER, das auf die Entwicklung klimaresilienter Getreidepflanzen abzielt. Zusätzlich gefördert wurde die Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Alexander von Humboldt‑Stiftung, der U.S. National Science Foundation, den U.S. Departments of Agriculture und Energy, dem 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission sowie der Helmholtz‑Gemeinschaft
Originalpublikation
Engelhorn, J., Snodgrass, SJ., Kok, A., Seetharam, A.S., Schneider, M., Kiwit, T., Singh, A., Banf, M., Khaipho-Burch, M., Runcie, D.E., Camargo, V.S., Torres-Rodriguez, J.V., Sun, G., Stam, M., Fiorani, F., Schnable, J.C., Bass, H.W., Hufford, M.B., Stich, B., Frommer, W.B., Ross-Ibarra, J., Hartwig, T. (2025). Genetic variation at transcription factor binding sites largely explains phenotypic heritability in maize. Nature Genetics (2025)
DOI: 10.1038/s41588-025-02246-7
Topics
Species
