Dirigenten im Genom

Die Wissenschaft präsentiert erstmals eine Rohfassung des Weichweizen-Genoms, in der fast alle Gene sequenziert und auf den unterschiedlichen Chromosomen angeordnet worden sind. Die bisher geltende Theorie der Evolution des Weizens muss nach neusten Erkenntnissen revidiert werden. Außerdem wurde herausgefunden, wie die drei Subgenome der hexaploiden Pflanze zusammenarbeiten und wie die Genexpression zwischen diesen gesteuert wird. Züchter warten bereits sehnsüchtig auf die Daten, um eine der wichtigsten Nahrungspflanzen der Welt weiter zu verbessern.

Siebzehn Milliarden Basenpaare aufgeteilt auf 21 Chromosomen. Vor dieser Mammutaufgabe stehen die Wissenschaftler, die es sich zur Aufgabe gemacht haben, das Genom des Weichweizens zu sequenzieren. Weil ein Land allein dieses Projekt niemals stemmen könnte, beteiligen sich Forscher aus aller Welt daran, dem Erbgut des Weizens Basenpaar für Basenpaar seine Geheimnisse zu entlocken.

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Im Fachjournal Science stellen die Forscher des Internationalen Weizen-Genom-Sequenzierkonsortiums (IWGSC) jetzt die erste vollständige Sequenz eines Weizenchromosoms vor. „Chromosom 3B ist mit einer Größe von 1 Gigabasenpaaren das größte Weizenchromosom, doch die Schwierigkeiten sind natürlich bei allen Chromosomen die gleichen“, erklärt Klaus Mayer, der am Helmholtz-Zentrum München die Abteilung Genom- und Systembiologie der Pflanzen leitet und ebenfalls am IWGSC beteiligt ist. Besonders der hohe Anteil an repetitiven DNS-Sequenzen macht den Forschern das Leben schwer. Denn wo sich große Bereiche der DNS ständig wiederholen, wird es komplizierter, aus kleinen Stücken das gesamte Chromosom zusammenzusetzen.

Jedes Gen wurde im Genom verortet

Doch nicht nur bei Chromosom 3B sind Fortschritte zu vermelden. Den Forschern gelang es außerdem, fast alle Gene in der richtigen Reihenfolge auf den unterschiedlichen Chromosomen anzuordnen. „Das ist ein ganz wesentlicher Schritt für unser Verständnis vom Weizengenom“, erklärt Klaus Mayer. „Jetzt ist endlich nachvollziehbar, welches Gen von welchem Chromosom und von welchem Subgenom stammt.“ Weizen ist hexaploid und besteht aus drei sehr ähnlichen Subgenomen, was die Analysen deutlich erschwert.

Diese Daten können die Wissenschaftler jetzt zum Beispiel für die Suche nach molekularen Markern nutzen, die für die Präzisionszüchtung interessant sind. „Die Anzahl der Marker, die uns für Weizen bisher zur Verfügung standen, waren bisher begrenzt“, sagt Mayer. Besonders interessieren sich die Wissenschaftler für Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), Veränderungen einzelner Basenpaare, die mit agronomisch wichtigen Eigenschaften korrelieren können. SNPs lassen sich einfach detektieren und ermöglichen es den Züchtern, den Erfolg ihrer Züchtung preiswert vor allem aber schnell zu überprüfen.

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Nur hexaploider Weizen taugt zum Backen

Auch über die Evolution des Weizens gibt es Neuigkeiten. Bisher dachte man, dass das hexaploide Genom AABBDD aus drei unabhängigen Vorläufergenomen AA, BB und DD entstanden sei. Die neuesten Analysen zeigen jetzt, dass das D-Genom seinen Ursprung im A- und B-Genom hat. In einem späteren Schritt kam das D-Genom wieder mit seinen beiden Schwestergenomen A und B zusammen und formte den hexaploiden Weizen, den wir heute kennen. “Das hexaploide Brotweizengenom ist wichtig für die Backeigenschaften, während tetraploider Weizen bei der Pastaherstellung verwendet wird”, betont Mayer die Wichtigkeit der verschiedenen Polyploidisierungsrunden. Der hexaploide Weichweizen nimmt bei der globalen Ernährungssicherung einen weitaus höheren Stellenwert ein. In Deutschland wurden im Jahr 2013 auf 3,1 Millionen Hektar Weichweizen angebaut. Hartweizen kam im selben Jahr gerade Mal auf 8.600 Hektar.

Die drei Subgenome des Weichweizens ähneln einander sehr, es gibt kaum Unterschiede bei der Anzahl der Gene. „Uns hat interessiert, wie diese Subgenome zusammenarbeiten und sich koordinieren“, erzählt Mayer. Drei verschiedene Szenarien schienen möglich. Entweder könnte ein Genom immer über die beiden anderen dominieren oder alle drei Genome könnten demokratisch zusammenarbeiten. Auch eine Mischform, bei der das Kräfteverhältnis zwischen den drei Genomen von Gen zu Gen verschieden ist, war denkbar.

Ein paar wenige Dirigenten  geben den Einsatz

Jetzt steht fest, dass eine Genomasymmetrie vorliegt. Das bedeutet, dass für bestimmte Aufgaben das eine oder andere Genom bevorzugt wird und die korrespondierenden Genkopien in den anderen Genomen herunterreguliert sind. Aber kein Genom ist ständig dominant. „Diese Theorie geistert seit einigen Jahren herum und wir konnten sie jetzt zum ersten Mal auf molekularer Ebene bestätigen“, erklärt Mayer. Einige besonders wichtige zentrale Gene steuern dabei andere Genen. Genau wie Dirigenten ein Orchester anleiten und Geigern und Trompetern ihren Einsatz geben, so koordinieren diese Gene den Einsatz anderer Gengruppen.

Die neuesten Erkenntnisse zum Weizengenom sollen dabei helfen, neue Sorten zu züchten, die besser mit veränderten klimatischen Bedingungen zurechtkommen und resistenter gegen Krankheiten sind.