Genomforschung an der „Speise der Götter“

Ein Forscherkonsortium hat das Erbgut einer weiteren kommerziell wichtigen Sorte des Kakaobaums entschlüsselt. Die nun vorliegenden Sequenzinformationen sind vollständiger und weisen eine deutlich höhere Qualität auf, verglichen mit bisherigen Daten. Das Genom von Theobroma Cacao L. cv. Matina 1-6 kann nun als Grundlage für die Identifizierung von Markergenen genutzt werden, die Kakao-Züchtern ihre Arbeit erleichtern können. Höchstes Ziel: Sorten zu züchten, die einen hohen Ertrag haben und äußerst aromatisch sind. Die Qualität der Bohnen ist nämlich entscheidend für den Geschmack von daraus produzierter Schokolade.

Sie ist allseits beliebt und es gibt sie in vielfältigen Formen und Farben: Schokolade. Um aus den Früchten des Kakaobaums (Theobroma Cacao) - genauer: aus den Samen (Kakaobohnen) - Schokolade herzustellen, benötigt man mehrere Verarbeitungsschritte: Nach der Ernte der Früchte, werden die Bohnen aus dem Inneren entfernt, danach fermentiert und getrocknet und abschließend zu Kakaomasse und Kakaobutter verarbeitet. Diese verwendet man dann für die Herstellung der süßen Speise.

Der Beliebtheit des Kakao verdankt die Gattung ihren Namen: „Theobroma“ stammt aus dem Griechischen und lautet übersetzt „Speise der Götter“.

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Vom Regenwald auf unseren Tisch

Hierzulande wird Schokolade liebend gerne konsumiert, aber leider verhindern die klimatischen Bedingungen einen Anbau von Kakaobäumen in unseren gemäßigten Breiten. Kakaobäume brauchen es warm und feucht, daher wachsen sie optimal im tropischen Regenwald. Sie werden in mehr als 50 Ländern der Welt angebaut, häufig von Kleinbauern. Die größten Erzeugerländer sind dabei Côte d’Ivoire (Elfenbeinküste), Ghana und Indonesien. Der Anbau von Kakaobäumen ist in vielen Ländern ein wichtiger Wirtschaftsfaktor. 2011 betrug die weltweite Produktion an Kakaobohnen fast 4,4 Mio. Tonnen (vgl. FAO STAT). Im gleichen Jahr verspeisten die Deutschen durchschnittlich 9,6 Kilogramm Schokolade.

Für die Qualität der Schokolade ist vor allem die Qualität der Bohnen entscheidend. Je nach Sorte, variiert die Farbe der Früchte und Samen, deren Ertrag sowie deren Geschmack.

Genomforschung für besseren Geschmack und höheren Ertrag

Übergeordnetes Ziel der Züchter ist es, alle wünschenswerten Merkmale zu vereinen. Um aromatische Kakaobohnen und zugleich ertragreiche Kakaobäume zu züchten, entschlüsselten Forscher nun das Erbgut (Genom) des Kakaobaums Theobroma Cacao L. cv. Matina 1-6 in hoher Qualität und begaben sich auf die Suche nach Markergenen. Bereits 2010 hatte das Forscherkonsortium eine vorläufige Genomsequenz präsentiert. Deren Lücken konnten mit der jetzt publizierten Arbeit größtenteils geschlossen werden. 

Die Wissenschaftler ermittelten das Genom von Theobroma Cacao L. cv. Matina 1-6 durch eine Kombination von Sequenziermethoden (Sequenzierung nach Sanger und Roche 454 Pyrosequenzierung). Das Erbgut der untersuchten Varietät liegt den Forschern in hoher Qualität vor und besteht aus 445 Megabasenpaaren (Mbp). Damit ist es ähnlich groß, wie das Genom anderer bereits entschlüsselter Vertreter seiner Art.

Vielfalt der Sorten

Den eher ungewöhnlichen Namen erhielt Theobroma Cacao L. cv. Matina aufgrund der Region, in der die Varietät zum ersten Mal angebaut wurde: dem Matina Flusstal in Costa Rica. Die hier untersuchte Sorte Theobroma Cacao L. cv. Matina 1-6 bildet grüne Früchte aus und deren Bohnen sind äußerst aromatisch. Die Bäume sind jedoch anfällig und haben einen geringen Ertrag.

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Dagegen gibt es eine in Ecuador angebaute Sorte (CCN 51), deren Früchte eine rote Färbung haben. Die Bäume dieser Sorte sind sehr widerstandsfähig und liefern hohe Erträge. Daher ist sie beliebt für den Anbau und interessant für Züchter. Die Samen der roten Früchte haben jedoch leider einen weniger guten Geschmack, da sie einen hohen Säuregehalt aufweisen und bitterer schmecken. Das wirkt sich auch auf die Qualität von aus ihren hergestellter Schokolade aus.

Hilfreiche Markergene

Um den Geschmack der ertragreichen Bäume zu verbessern, wollen Züchter die Vorzüge von den beiden Sorten kombinieren. Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit war es daher zudem, Markergene zu identifizieren, mit denen sich bei der Züchtung frühzeitig die Pflänzchen mit aromatischen Bohnen von den bitteren unterscheiden lassen.

Dabei kann über die Farbe der Früchte eine gute Unterscheidung getroffen werden, d.h. hier: rot ist nicht wünschenswert, grün dagegen schon. Wüsste man also, welche Pflänzchen grüne Früchte ausbilden werden, wäre dies hilfreich bei Kreuzungsexperimenten. Mit genetischen Markern könnten die Pflanzen mit den gewünschten Eigenschaften identifiziert werden, lange bevor sie ausgewachsen sind. Denn es gibt ein Problem: Auch wenn man Hybride erzeugt, die die gewünschten grünen Früchte ausbilden, kann man nicht vorhersehen, ob deren Nachkommen auch den gewünschten Phänotyp aufweisen.

Das entscheidende Gen für die Farbe

Die Farbe der unreifen Kakaofrüchte variiert von grün (hell bis dunkel) bis rot und lila, und wird durch Pflanzenfarbstoffe (Anthocyane) verursacht. Reife Kakaoschoten sind in der Regel gelb, orange, rot oder violett, obwohl einige reife Schoten auch grün bleiben.

Die Wissenschaftler verglichen das entschlüsselte Genom mit dem anderer Sorten und versuchten durch die Analyse von Haplotypen, Assoziationskartierung und Genexpressionsanalysen, die molekularen Grundlagen der Fruchtfarbe zu entschlüsseln.

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Bei ihren vergleichenden Genomanalysen entdeckte das Forscherkonsortium einen geeigneten Gen-Kandidaten: Ein Gen das für einen speziellen Transkriptionsfaktor (TcMYB113) kodiert, der die Farbe der Frucht steuert. Das identifizierte Gen ist also höchstwahrscheinlich der entscheidende Drahtzieher hinter der Fruchtfarbe. Das Gen ist zudem denen sehr ähnlich (homolog), die die Pigmentierung in Rosengewächsen (Rosaceae), Nachtschattengewächsen (Solanaceae) und Kreuzblütlern (Brassicaceae) regulieren.   

Gensequenz für die Züchtung

Hat man die Gensequenz, können auch andere Marker gesucht werden, mit denen eine gezielte Züchtung möglich wird. Hat man dann den entsprechenden genetischen Marker identifiziert, können die Jungpflanzen schon sehr früh auf diese Gene hin gescreent werden. Dies würde die Auswahl, der zur weiteren Züchtung geeigneten Pflanzen beschleunigen und die dabei entstehenden Kosten reduzieren.

Die Forschungsergebnisse sollen nun den traditionellen Züchtern weltweit zugutekommen und sind daher frei verfügbar (doi: 10.1186/gb-2013-14-6-r53). Wie bei allen Sequenzierungsprojekten gilt auch beim Kakao: die Sequenz ist erst der Anfang, die eigentliche Arbeit folgt nun in den weltweiten Laboren der Forscher. Dafür sind die kompletten Genom-Daten in einer öffentlich zugänglichen Datenbank hinterlegt (Cacao Genome Database).

Das Forscherkonsortium hinter dieser Grundlagenarbeit besteht neben Vertretern der Wirtschaft (Mars und IBM), aus Wissenschaftlern von Universitäten und Forschungseinrichtungen.