Gametophyte-specific degradation of Centromeric Histone3 (CENH3) to investigate the mechanisms of uniparental genome elimination in Arabidopsis thaliana

Abstract

Manipulation of the centromere-specific histone H3 (CENH3) gene has proven effective for haploid induction in Arabidopsis thaliana and several crop species. However, a universal strategy for CENH3-based haploidization that works across different crop species remains missing. To address this, the cellular mechanisms underlying haploid induction were investigated. Results show that extreme asymmetry in CENH3 chromatin levels between the maternal and paternal chromosomes during early embryogenesis is closely associated with haploid induction. By employing egg cell-specific degradation of GFP- or ALFA-tagged CENH3 variants using different GFP/ALFA nanobody-fused E3-ligases, paternal haploids were successfully generated. In addition, sperm-specific degradation of GFP-tagged CENH3 resulted in maternal-like diploids. Several plant- and animal-derived E3-ligases were evaluated to optimize this approach further for their efficiency in degrading tagged CENH3 variants and inducing haploids. This novel strategy has the potential to serve as a universal tool for CENH3 manipulation to engineer haploid induction in diverse crop species.

Die Manipulation des Zentromer-spezifischen Histon H3 (CENH3) Gens, hat sich sowohl bei Arabidopsis thaliana als auch bei verschiedenen Nutzpflanzenarten als wirksam für die Haploideninduktion erwiesen. Dennoch gibt es bisher keine universelle Strategie, welche zur Generierung von Haploiden bei verschiedenen Pflanzenarten CENH3-basierend funktioniert. Um dieses Problem zu lösen, wurden die zellulären Mechanismen untersucht, die der Haploideninduktion zugrunde liegen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine extreme Asymmetrie der relativen CENH3 Proteinmenge zwischen den elterlichen Chromosomen eng mit der Haploideninduktion korreliert. Durch den eizellspezifischen Abbau von GFP- oder ALFA-markierten CENH3-Varianten mit Hilfe von GFP/ALFA-spezifischen Nanokörper-fusionierten E3-Ligasen konnten väterliche Haploide erfolgreich erzeugt werden. Darüber hinaus, führte der spermienspezifische Abbau von GFP-markiertem CENH3 zu mütterlichen Diploiden. Um diesen Ansatz weiter zu optimieren, wurden verschiedene pflanzliche und tierische E3-Ligasen auf ihre Effizienz beim Abbau GFP- oder ALFA-markierter CENH3 Proteinen zur Erzeugung von Haploiden untersucht. Diese neuartige Strategie hat das Potenzial, als universelle Methode für die CENH3-basierte Induktion von Haploiden in verschiedenen Pflanzenarten zu dienen.