Germany
November 3, 2025
For their research, the scientists are using the site of the long-term experiment ‘Eternal Rye Cultivation’ at Martin Luther University Halle-Wittenberg. Photo: IPK Leibniz Institute/ S. Dreissig
Für ihre Untersuchung nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Areal des Dauerversuches „Ewiger Roggenanbau“ der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.
Researchers at the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) and the Martin Luther University of Halle-Wittenberg have gained new insights into the genetic basis of rye reproduction. They demonstrated how plants recombine their genes and the extent to which this process is influenced by environmental factors such as nutrient deficiency. The results were published today in the journal “New Phytologist”.
The researchers investigated the genetic basis and environmental plasticity of meiotic recombination in a large rye population . They used over 500 rye plants, some of which were grown under normal conditions and some under nutrient deficiency. Material was obtained from the Federal Ex Situ Genebank at IPK and commercially available population varieties, and all plants were cultivated on the grounds of the 'Eternal Rye Cultivation' experiment at Martin-Luther-University Halle-Wittenberg.
Established in 1878 by Julius Kühn, this experiment is still ongoing today. Various nutrient and humus replacement systems are compared in a long series of experiments, ranging from farmyard manure and mineral complete fertilisation to areas without fertilisation. “This area was particularly well suited to the study because the nutrient deficiency had built up over a very long period, making it very stable,” explained Dr. Steven Dreissig, head of the independent research group “Plant Reproductive Genetics”.
The researchers collected pollen and sequenced the cell nuclei of over 3,000 sperm cells from 584 individuals. They aimed to determine the number of crossover events between the parental chromosomes and identify their positions. This process could be studied directly in pollen for the first time, i.e., where it actually takes place, and in such large numbers.
“We were able to show that plant genes mix significantly less when there is a nutrient deficiency than when nutrients are supplied in adequate amounts,” says Christina Wäsch, the study’s first author. “You can think of it like playing cards: if the cards are only shuffled half-heartedly, fewer new combinations are created.” However, that's not all. The research team also discovered differences between plant types. While the modern cultivar remained relatively stable during the study, old varieties and wild forms were susceptible to stress, explains Christina Wäsch. “This shows that genetic diversity plays a major role in how plants cope with environmental changes.”
The research team also investigated the genetic basis of recombination. “In our study, we demonstrated that the recombination rate is not controlled by a single master switch, but rather by numerous small genetic regions acting in concert,” explains Dr. Steven Dreissig. More than 40 alleles and two candidate genes are now known. “We now know the areas on the chromosome where these numerous genetic switches are located, but we often do not yet know all the decisive genes.”
“Nevertheless, our current study makes an important contribution to our understanding of the genetic architecture and environmental plasticity of meiotic recombination”, says Dr. Dreissig. “Unlike previous studies, which only examined individual or a few genotypes, we analysed the genetic effects in a large, genetically diverse population.” The IPK researcher believes identifying the genes that control recombination under stress could be a valuable breeding tool. “The targeted control of recombination under stress will help to accelerate the development of new, improved crops that are more resistant to adverse environmental conditions.”
Original publication:
Wäsch et al. (2025): Population-wide single-pollen nuclei genotyping in rye sheds light on the genetic basis and environmental plasticity of meiotic recombination. New Phytologist.
DOI: 10.1111/nph.70656
Pflanzen im Stresstest: Wie der Roggen seine Gene neu sortiert
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg haben neue Einblicke in die genetischen Grundlagen der Fortpflanzung von Roggen gewonnen. Sie konnten zeigen, wie Pflanzen ihre Gene neu kombinieren - und wie stark dieser Prozess auch von Umweltbedingungen wie Nährstoffmangel beeinflusst wird. Die Ergebnisse wurden heute in der Fachzeitschrift „New Phytologist“ veröffentlicht.
Die Forscherinnen und Forscher untersuchten die genetischen Grundlagen und die Umweltplastizität der meiotischen Rekombination in einer großen Roggenpopulation. Sie nutzten mehr als 500 Roggenpflanzen - einige wuchsen unter normalen Bedingungen, andere unter Nährstoffmangel. Sie bezogen dafür Material aus der Genbank des IPK, aber auch kommerziell verfügbare Populationssorten ein und bauten alles auf dem Areal des Versuchs „Ewiger Roggenanbau“ der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg an.
Dieser Versuch wurde 1878 von Julius Kühn angelegt und wird bis heute fortgeführt. In langen Versuchsreihen werden dort verschiedene Systeme des Nährstoff- und Humusersatzes verglichen, vom Stallmist über mineralische Volldüngung bis hin zu Bereichen ohne Düngung. „Das Areal war für die Untersuchung besonders gut geeignet, weil sich der Nährstoffmangel dort über sehr lange Zeit aufgebaut hat und daher sehr stabil war“, erläuterte Dr. Steven Dreissig, Leiter der unabhängigen Arbeitsgruppe „Pflanzliche Reproduktionsgenetik“.
Anschließend sammelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Pollen und sequenzierten die Zellkerne von mehr als 3.000 einzelnen Spermien, die von 584 Individuen stammten. Ziel war es, die Anzahl der Austauschereignisse, sogenannte Crossover, zwischen den elterlichen Chromosomen zu ermitteln und ihre Position auf dem Chromosom zu ermitteln. Erstmals konnte dieser Prozess in so großer Zahl direkt in den Pollen untersucht werden, also an dem Ort, an dem er tatsächlich stattfindet.
„Wir konnten zeigen, dass sich die Gene der Pflanzen bei Nährstoffmangel deutlich weniger neu mischen als bei ausreichender Nährstoffversorgung“, sagt Christina Wäsch, die Erstautorin der Studie. „Das kann man sich so vorstellen wie beim Kartenspielen: Wenn die Karten nur halbherzig gemischt werden, entstehen weniger neue Kombinationen.“ Doch nicht nur das: Das Forschungsteam entdeckte auch Unterschiede zwischen den Pflanzentypen. Während die moderne Zuchtsorte in der Untersuchung relativ stabil blieb, reagierten alte Sorten und Wildformen sehr empfindlich auf den Stress“, erklärt Christina Wäsch. „Das zeigt, dass die genetische Vielfalt eine große Rolle dabei spielt, wie Pflanzen mit Umweltveränderungen umgehen.“
Das Forschungsteam untersuchte auch die genetischen Grundlagen der Rekombination. „Wir konnten in unserer Studie zeigen, dass die Rekombinationsrate nicht von einem Hauptschalter gesteuert wird, sondern von zahlreichen kleinen genetischen Regionen gleichzeitig“, erklärt Dr. Steven Dreissig vom IPK. Inzwischen sind mehr als 40 Allele und zwei Kandidatengene bekannt. „Grundsätzlich kennen wir jetzt die Bereiche auf dem Chromosom, in denen diese zahlreichen genetischen Schalter liegen, aber wir kennen oft noch nicht alle entscheidenden Gene.“
„Dennoch leistet unsere jetzige Studie einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der genetischen Architektur und Umweltplastizität der meiotischen Rekombination“, so der IPK-Forscher. „Anders als bei früheren Arbeiten, in denen nur einzelne oder wenige Genotypen betrachtetet wurden, konnten wir die genetischen Effekte in einer großen und genetisch vielfältigen Population analysieren.“ Die Identifikation der Gene, die die Rekombination unter Stress steuern, könnte noch zu einem wichtigen Werkzeug in der Züchtung werden, glaubt Steven Dreissig. „Die gezielte Steuerung der Rekombination unter Stress hilft sicher bei der schnelleren Entwicklung neuer, verbesserter Nutzpflanzen, die widerstandsfähiger gegen widrige Umweltbedingungen sind.“
Originalpublikation:
Wäsch et al. (2025): Population-wide single-pollen nuclei genotyping in rye sheds light on the genetic basis and environmental plasticity of meiotic recombination. New Phytologist. DOI: 10.1111/nph.70656
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Species
