Genetische Diversität bei Mais höher als gedacht

Neues Referenzgenom von Mais veröffentlicht

11.07.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die bunt schimmernden Maiskörner sind ein schönes Beispiel für genetische Diversität. (Bildquelle: © CLM-bv/Pixabay/CC0)
Die bunt schimmernden Maiskörner sind ein schönes Beispiel für genetische Diversität. (Bildquelle: © CLM-bv/Pixabay/CC0)

Mais gehört zu den ältesten und wichtigsten Nutzpflanzen der Erde. 2009 wurde sein Genom erstmals vollständig sequenziert. Nun wurde nachgelegt und ein neues, detaillierteres Referenzgenom erstellt. Von ihm erhoffen sich Forscher neue Einsichten und ein besseres Verständnis in Bezug auf die Genregulation.

Das Referenzgenom von Mais (Zea mays) ist noch keine zehn Jahre alt, aber nach Meinung von Doreen Ware schon veraltet. Zum Beweis hat sie kürzlich ihr neues Referenzgenom vorgestellt. Dieses soll detaillierter und vollständiger als der Vorgänger aus dem Jahr 2009 sein. Vor allem mit Blick auf die Abschnitte, die zwischen den codierenden Genen liegen, den sogenannten intergenischen Regionen. Diese, auf den ersten Blick unscheinbar erscheinenden Abschnitte, werden von vielen mittlerweile als Schlüssel für die enorme Anpassungsfähigkeit der Nutzpflanze gesehen.

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Weltweit wurden 2016 über eine Milliarden Tonnen Mais geerntet. Damit liegt Mais vor Weizen und Reis. 

Weltweit wurden 2016 über eine Milliarden Tonnen Mais geerntet. Damit liegt Mais vor Weizen und Reis. 

Bildquelle: © stux/Pixabay/CC0

Genom gibt Rätsel auf

Als 2009 das Maisgenom erstmals sequenziert wurde, staunte die Wissenschaft nicht schlecht. Nicht nur, weil man es mit einem Erbgutriesen zu tun hatte, dessen Genom mehr als 2,3 Milliarden Basenpaare und 32.000 Genen umfasst, also mehr als beim Menschen. Sondern auch, weil das Maisgenom zu 85 % aus den Mitgliedern von mehreren Hundert verschiedenen Transposon-Familien besteht.

Entdeckt wurden die sogenannten „springenden Gene“ 1948 von der Botanikerin Barbara McClintock, die dafür den Nobelpreis bekam. Im Rückblick überrascht es nicht, dass sie ihre Entdeckung ausgerechnet am Mais machte.

Vorteile des neuen Referenzgenoms

Das Besondere am neuen Referenzgenom ist, dass es aus deutlich weniger, dafür aber sehr viel längeren Contigs zusammengesetzt ist. Ein Contig ist ein Set sich überlappender DNA-Stücke, bestehend aus kleineren klonierten Fragmenten. Ein Contig präsentiert damit eine lückenlos aufgeklärte Teilsequenz des Genoms. Während das Referenzgenom von 2009 noch aus über 100.000 Contigs bestand, sind es diesmal nur noch 2.958. Mehr als die Hälfte von ihnen sind über 1,2 Millionen Basenpaare lang. Wie die Anzahl der Contigs sank übrigens auch der finanzielle Aufwand für die Sequenzierung: von 35 Millionen im Jahr 2009 auf nunmehr nur noch 150.000 US-Dollar.

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Auch die Wurzelarchitektur ist von großer Bedeutung. Mit den entsprechenden Genen lässt sich diese verbessern.

Bildquelle: © Alandmanson/ Wikimedia.org/ CC BY 4.0

Genregulation ist entscheidend

Für Doreen Ware zeigt das neue Referenzgenom vor allem bei der Erforschung der intergenischen Regionen seine Stärken. Gemeint sind damit die Bereiche, die außerhalb der codierenden Sequenzen liegen und beim neuen Referenzgenom dank der längeren Contigs häufiger intakt sind. Was sie so interessant und wichtig macht, ist dass sich dort die Signalsequenzen befinden, die die Genaktivitäten steuern. Und hier, in der Genregulation, sieht Ware den ausschlaggebenden Punkt für die Anpassungsfähigkeit des Maises.

Beim Menschen sind über 99 % des Genoms identisch, nicht aber beim Mais…

Sie verweist dabei auf die hohe genetische Diversität: „Wir haben herausgefunden, dass sich die Maislinien W22 und Ki11 mit dem Referenzgenom im Durchschnitt nur zu 35 % decken. Ihre genetische Organisation ist unglaublich verschieden“. Hierzu muss man wissen, dass W22 und Ki11 in anderen Klimaregionen heimisch sind als B73, die Linie des Referenzgenoms.

Die Diversität, von der Ware spricht, schließt genetische Unterschiede innerhalb der codierenden Abschnitte ebenso ein wie in den intergenischen Regionen. Sie zu untersuchen, wird durch das neue Referenzgenom nun besser möglich sein. Daraus ergeben sich nicht nur neue Forschungsansätze für die Grundlagenforschung, sondern langfristig auch für die Pflanzenzüchtung.

Durch eine Erweiterung des Angebots regulatorischer Stellschrauben bieten sich nämlich neue Möglichkeiten bei der Sortenentwicklung. „Die Diversität des Maises ist die Basis für die Zucht. Das ist der Schlüssel, um in der Zukunft nicht nur besseren, sondern auch mehr Mais produzieren zu können“, erklärt Erstautor Yinping Jiao.

Welche Impulse von dem neuen Referenzgenom ausgehen werden, wird sich noch zeigen. Ansatzpunkte gibt es reichlich, z. B. bei der Erhöhung des Proteingehalts in den Maiskörnern, der Verbesserung der Wurzelarchitektur, der Optimierung des Keimzeitpunktes und der Verbesserung der Hitze- und Trockentoleranz. Hier wurde mithilfe des Referenzgenoms von 2009 bereits viel Vorarbeit geleistet, die es nun fortzuführen gilt.

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