Germany
July 30, 2026
Scientists in the group of Raphael Mercier at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne have discovered how to access large regions of the plant genome that have been effectively locked away from breeders for generations. The findings, published this week in Nature Plants, could have significant implications for developing improved crop varieties with better disease resistance, yield, and climate resilience.
Seeds of Arabidopsis thaliana expressing fluorescent proteins were used to score recombination in proximity to a centromere. Red or green only seeds reveal a recombination event. - © Joiselle Fernandes
When plants reproduce sexually, their chromosomes shuffle genetic material through a process called crossover recombination — essentially swapping sections of DNA between chromosome pairs. This reshuffling is what allows breeders to combine desirable traits from different plant varieties. However, large regions of chromosomes surrounding structures called centromeres are effectively off-limits to this process. In many crops, these "cold zones" can be enormous — in wheat and barley, they cover more than half of each chromosome. Genes trapped in these regions are essentially invisible to breeders, who cannot combine or separate them from neighboring traits. In barley, for example, 18% of all genes sit in these inaccessible regions. In tomato, an important gene conferring resistance to a damaging virus is locked in such a region alongside millions of base pairs of unwanted genetic material that breeders have been unable to remove for decades.
The new study identifies three genes — CTF18, SGO2, and SPF2 — that act as gatekeepers, actively preventing genetic recombination near centromeres. When the researchers disabled any one of these genes in the model plant Arabidopsis thaliana, crossovers occurred in regions where they had never been seen before. Further, disabling SPF2 alone increased recombination by more than three times in the previously cold regions. When multiple genes were disabled simultaneously, the effects were even greater, revealing that several independent molecular mechanisms work together to keep these chromosomal regions locked.
Importantly, the plants with disabled genes were largely healthy and fertile, producing normal numbers of seeds. Only the most extreme combinations of mutations caused any reduction in fertility, and no growth defects were observed in any of the mutant plants. This suggests that unlocking these chromosomal regions is biologically safe, at least to a considerable extent.
A particularly promising finding is that plants carrying just one disrupted copy of SPF2 or SGO2 — rather than two — already showed increased recombination in the previously suppressed regions. This so-called co-dominant effect means that the mutations could be more easily deployed in breeding programs without requiring both copies of a gene to be altered.
The three identified genes are conserved across the plant kingdom, and also in more distant species, including in animals. The researchers believe their findings could be translated to major crops such as wheat, barley, maize, and tomato, where the locked chromosomal regions are even larger. The authors envision that these mutations could be temporarily introduced into breeding lines to unlock desired genetic combinations, and then removed once the job is done — meaning the final crop varieties would not carry the mutations themselves.
Original Publication
Salinas Gamboa, R., Fernandes, J.B., Lian, Q. et al.
The deSUMOylase SPF2 and the cohesin regulators SGO2 and CTF18 suppress crossovers near centromeres.
Nature Plants (2026).
Source
DOI
This work was featured in:
Rönspies, M., Puchta, H. Crossovers break new ground. Nat. Plants (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-026-02340-6
Erschließung verborgener Bereiche pflanzlicher Chromosomen eröffnet neue Möglichkeiten für die Pflanzenzüchtung
Forschende in der Gruppe von Raphael Mercier am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung haben herausgefunden, wie man Zugang zu großen Bereichen des Pflanzengenoms erhält, die den Züchtern seit Generationen praktisch verschlossen waren. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Plants, könnten erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung verbesserter Pflanzensorten mit höherer Krankheitsresistenz, höheren Erträgen und größerer Klima-Resilienz haben.
Wenn sich Pflanzen geschlechtlich fortpflanzen, mischen ihre Chromosomen das genetische Material durch einen Prozess namens „Crossover-Rekombination“ neu – dabei werden im Wesentlichen DNA-Abschnitte zwischen Chromosomenpaaren ausgetauscht. Diese Neuanordnung ermöglicht es Züchtern, wünschenswerte Merkmale verschiedener Pflanzensorten zu kombinieren. Große Bereiche der Chromosomen, die von sogenannte Zentromere umgeben, sind für diesen Prozess jedoch praktisch unzugänglich. Bei vielen Kulturpflanzen können diese „kalten Zonen“ enorm groß sein – bei Weizen und Gerste bedecken sie mehr als die Hälfte jedes Chromosoms. Gene, die in diesen Regionen eingeschlossen sind, sind für Züchter im Grunde unsichtbar; sie können sie nicht mit benachbarten Merkmalen kombinieren oder von diesen trennen. Bei Gerste beispielsweise befinden sich 18 % aller Gene in diesen unzugänglichen Regionen. Bei der Tomate ist ein wichtiges Gen, das Resistenz gegen ein schädliches Virus verleiht, in einer solchen Region eingeschlossen – zusammen mit Millionen von Basenpaaren unerwünschten genetischen Materials, das Züchter seit Jahrzehnten nicht entfernen konnten.
Die neue Studie identifiziert drei Gene – CTF18, SGO2 und SPF2 –, die als Torwächter fungieren und genetische Rekombination in der Nähe von Zentromeren aktiv verhindern. Als die Forschenden eines dieser Gene in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana deaktivierten, traten Kreuzungen in Regionen auf, in denen sie zuvor noch nie beobachtet worden waren. Darüber hinaus führte die Deaktivierung von SPF2 allein zu einer mehr als dreifachen Steigerung der Rekombination in den zuvor „kalten“ Regionen. Wurden mehrere Gene gleichzeitig deaktiviert, waren die Effekte sogar noch größer, was zeigt, dass mehrere unabhängige molekulare Mechanismen zusammenwirken, um diese Chromosomenregionen gesperrt zu halten.
Bemerkenswert ist, dass die Pflanzen mit deaktivierten Genen weitgehend gesund und fruchtbar waren und eine normale Anzahl an Samen produzierten. Nur die extremsten Mutationskombinationen führten zu einer Verringerung der Fruchtbarkeit, und bei keiner der mutierten Pflanzen wurden Wachstumsstörungen beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Freischaltung dieser Chromosomenregionen biologisch unbedenklich ist, zumindest bis zu einem beträchtlichen Grad.
Ein besonders vielversprechender Befund ist, dass Pflanzen, die nur eine – statt zwei – gestörte Kopie von SPF2 oder SGO2 trugen, bereits eine erhöhte Rekombination in den zuvor unterdrückten Regionen zeigten. Dieser sogenannte co-dominante Effekt bedeutet, dass die Mutationen leichter in Züchtungsprogrammen eingesetzt werden könnten, ohne dass beide Kopien eines Gens verändert werden müssten.
Die drei identifizierten Gene sind im gesamten Pflanzenreich verbreitet. Auch bei weiter entfernten Arten, einschließlich Tieren, kommen sie vor. Die Forschenden gehen davon aus, dass sich ihre Erkenntnisse auf wichtige Kulturpflanzen wie Weizen, Gerste, Mais und Tomaten übertragen lassen, bei denen die gesperrten Chromosomenregionen sogar noch größer sind. Sie stellen sich vor, dass diese Mutationen vorübergehend in Zuchtlinien eingeführt werden könnten, um gewünschte genetische Kombinationen freizuschalten, und anschließend wieder entfernt werden könnten, sobald die Aufgabe erfüllt ist – was bedeutet, dass die endgültigen Pflanzensorten die Mutationen selbst nicht mehr tragen würden.
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