Erbgut eines Afrikaners entschlüsselt

Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, das Erbgut der afrikanischen Reisart Oryza glaberrima zu entschlüsseln. Er ist widerstandsfähiger als der Reis aus Asien. Dieser ist jedoch ertragreicher und hat sich daher durchgesetzt. Nun könnte man alle verfügbaren Genom-Daten nutzen, um einen „Super-Reis“ zu züchten, der besser Widrigkeiten trotzt und hohe Erträge liefert.

Basmati-, Sushi- oder Risotto-Reis, alle stammen aus Asien. Sie sind alle Unterarten des Kulturreises (Oryza sativa). Doch unabhängig vom asiatischen Kontinent wurde vor rund 3.000 Jahren auch in Afrika Reis domestiziert. Die beiden Arten entwickelten sich aus unterschiedlichen wilden Reispflanzen und auch die Verbreitung nahm einen anderen Verlauf.

Die Geschichte des afrikanischen Reises

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Europäer brachten den Reis mit Sklavenschiffen von der alten in die neue Welt. Es wird davon ausgegangen, dass der afrikanische Reis Oryza glaberrima die erste Reisart war, die in Amerika angebaut wurde. Die Sklaven hatten zudem das nötige Know-how, um die Pflanzen auch in Amerika anzubauen. Der afrikanische Reis ist gut an die Trockenheit in Afrika und andere widrige Umstände angepasst. Doch leider hat er einen Haken: er liefert nur geringe Erträge. Daher wurde er bald von ertragreichen asiatischen Sorten – wie Oryza sativa ssp. indica (Lankorn- oder Basmati-Reis) – verdrängt und wird heute nur noch an wenigen Orten angebaut.

Wissenschaftler untersuchten das Erbgut (Genom) einmal genauer, um die Entwicklungsgeschichte noch besser zu verstehen und um zukünftig die Gene leichter zu finden, die für die hohe Widerstandsfähigkeit verantwortlich sind.

Das Erbgut ist entschlüsselt

Das internationale Forscherteam – dem auch deutsche Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums in München angehörten – legte die vollständige Genomsequenz des afrikanischen Reises vor. Mit Hilfe mehrerer Sequenzierungs-Methoden (BAC-by-BAC Sequenzierung, Sanger-Methode, Whole-Genome-Shotgun-Methode und RNA-Seq) fanden die Forscher rund 33.000 Gene, die auf 12 Chromosomen verteilt sind.

Das rund 300 Megabasenpaare große Genom wurde mittels bioinformatischer Methoden analysiert. Diese ermöglichen es, die vielen Millionen Datenschnipsel als Abbild des Genoms zu organisieren und liefert Hinweise auf die Funktion der Gene. „Die Bioinformatik ist ein zentraler Bestandteil von Genomuntersuchungen. Hier haben wir die Aufgabe übernommen uns um die Annotation zu kümmern, das bedeutet, wir haben die Struktur der Gene bestimmt und eine erste, Sequenz-basierte funktionelle Charakterisierung der Proteine auf biochemischer Ebene vorgenommen“, erklärt Dr. Georg Haberer, beteiligter Forscher der Plant Genome and Systems Biology Gruppe am Helmholtz Zentrum München. „Es ist jedoch noch ein weiter Weg um davon auf die tatsächliche biologische Funktion für die Pflanze zu schließen. Nehmen wir an, wir haben ein Protein gefunden, dass an die DNA bindet und andere Gene reguliert. Dann können wir sagen, dieses Protein ist ein Transkriptionsfaktor. Aber ob dieses Gen beispielsweise an der Blütenbildung oder am Wurzelwachstum beteiligt ist, wissen wir damit noch nicht.“

Der Ursprung liegt in nur einer Region

Vergleichende Genomanalysen weisen darauf hin, dass der O. glaberrima ursprünglich in nur einer Region in West-Afrika, entlang des Nigers im inneren Niger-Flussdelta (Mali), domestiziert wurde. Von hier verbreitete sich der Reisanbau in andere Gebiete. Vorläufer des afrikanischen Reises war dabei der wilde Reis O. barthii. Der afrikanische Reis O. glaberrima hatte in den Analysen eine geringere genetische Vielfalt als der wilde Vorfahre. Dieses für Kulturpflanzen typische Bild ist eine Folge der künstlichen Selektion auf bestimmte, für den Anbau wichtige Eigenschaften.  

Die Forscher fanden heraus, dass die Bauern bei der Domestikation der Reispflanzen in Afrika und Asien unabhängig voneinander auf gleiche Eigenschaften selektierten. „Sowohl die Bauern in Asien, als auch in Afrika entdeckten im Laufe der Zeit natürliche Variationen der Pflanzen, die beispielsweise ihre Samen nicht sofort abgibt, sondern an der Ähre behält. Dies ist für die Ernte enorm wichtig und ist heute ein wesentliches Merkmal vieler Kultur-Getreidearten. Diese Variationen wurden dann auf beiden Kontinenten weiter selektiert und dies spiegelt sich auch heute noch im Erbgut wider“, sagt Haberer. 

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Ressourcen für die Pflanzenzüchtung

Die Genome des Kulturreises O. sativa ssp. indica und O. sativa ssp.japonica, des afrikanischen Reises und der wilden Vorfahren könnten nun helfen, einen „Super-Reis“ zu entwickeln, der die unterschiedlichen Vorteile der unterschiedlichen Reis-Arten vereint.

Der afrikanische Reis ist toleranter gegenüber abiotischen und biotischen Stressfaktoren, darunter außergewöhnliche Belastungen durch Trockenheit oder eine erhöhte Salzkonzentration im Boden. Die Gene, die diesen Eigenschaften zugrunde liegen, können nun mit der Genomsequenz einfacher im Erbgut gefunden werden. Kennt man die Gene, können Pflanzenzüchter sie in andere Sorten einführen oder neue Sorten mit verbesserten Eigenschaften entwickeln. Von den wilden Vorfahren könnte man dagegen Resistenzgene gegen Schädlinge und Krankheiten nutzen und von den asiatischen Arten die hohen Erträge.

Erklärtes Ziel: Sicherung der Welternährung

Durch den Klimawandel können sich starke Unwetter häufen und die Anbaubedingungen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen verschlechtern. Sind Pflanzen toleranter gegenüber widrigen Umständen (wie Überflutungen oder Dürre), können Ernteausfälle vermieden oder gemildert werden. Auch das starke Bevölkerungswachstum macht es notwendig, widerstandsfähigere Sorten mit hohen Erträgen zu entwickeln. Im Jahr 2050 werden Schätzungen zufolge, über neun Milliarden Menschen unsere Erde bevölkern. „Reis ernährt die halbe Welt und ist damit die wichtigste Nahrungspflanze“, sagt Rod A. Wing, Leiter der Studie über den afrikanischen Reis von der Universität von Arizona. „Reis wird daher eine wichtige Rolle bei der Frage spielen, wie wir neun Milliarden Menschen ernähren können.“