Neues Apple-Produkt vorgestellt

Forscher präsentieren neues Apfel-Referenzgenom

14.07.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Der Golden Delicious gehört zu den beliebtesten Apfelsorten. Sein Erbgut bildet die Basis des neuen Referenzgenoms. (Bildquelle: © Leslie Seaton/Wikimedia.org/CC BY 2.0)
Der Golden Delicious gehört zu den beliebtesten Apfelsorten. Sein Erbgut bildet die Basis des neuen Referenzgenoms. (Bildquelle: © Leslie Seaton/Wikimedia.org/CC BY 2.0)

Der Golden Delicious zählt zu den beliebtesten Apfelsorten bei Verbrauchern. Auch in der Pflanzenforschung ist er kein Unbekannter. 2010 wurde sein Genom vollständig sequenziert. Der Golden Delicious war damit die erste so tiefgreifend analysierte Apfelsorte. Nun liegt ein neues Referenzgenom vor, das neue Einblicke verspricht. Erste Erkenntnisse stimmen schon einmal neugierig.

Kaum dass sich die Nachricht über das neue Mais-Referenzgenom verbreitet hat, gibt es schon wieder Neuigkeiten. Diesmal geht es um das Referenzgenom des Lieblingsobstes der Deutschen, den Kulturapfel (Malus domestica Borkh.). Hinter dem neuen Referenzgenom steht die homozygote Doppelhaploidenlinie GDDH13 der populären Sorte Golden Delicious. Eine bewusste Wahl, da Heterozygotie eine bekannte und gefürchtete Hürde bei der De-novo-Assemblierung von Genomen ist.

Aller guten Dinge sind drei

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Die Größe des Apfels hängt mitunter auch von epigenetischen Faktoren ab. 

Die Größe des Apfels hängt mitunter auch von epigenetischen Faktoren ab. 

Bildquelle: © I.Sácek/Wikimedia.org/CC0

Dass das aus knapp 650 Millionen Basenpaaren bestehende Genom nun in bislang unerreichter Qualität und Vollständigkeit vorliegt, ist aber nicht nur der richtigen Sorte, sondern vor allem der Kombination mehrerer Technologien – Short-Read-Sequencing, Long-Read-Sequencing und Optical Mapping – zu verdanken.

Dank diesen ist es erstmals möglich gewesen, sich endlich einmal genauer auch mit den transposablen Elementen (TE), den Transposonen, zu beschäftigen. Seit Jahren steigt das Interesse an diesen eigentümlichen DNA-Fragmenten quer durch alle Disziplinen der Biologie, nachdem sich zunehmend abgezeichnet hat, dass ihr Einfluss auf das Erbgut größer ist als gedacht.

Mehr als nur springende Gene

So greifen diese in die genetische Regulierung, Struktur und den Aufbau ein, spielen bei der Evolution eine Rolle und wirken auch auf epigenetischer Ebene mit. Den neuen Genomdaten zufolge bildet der Apfel keine Ausnahme. Angefangen damit, dass 57 % seines Genoms (über 372 Millionen Basenpaare) aus Transposonen bestehen, mehrheitlich Retrotransposonen.

HODOR-Sequenzen, wohin man schaut

Besonders umtriebig ist dabei eine 9.716 Basenpaare lange Sequenz mit dem Namen HODOR, von der über 500 Kopien im Apfelgenom existieren. Die Abkürzung steht für „High-Copy Golden Delicious Repeat“. Auffällig ist, dass deren Lage auf den Chromosomen einem Muster folgt, wonach sich die meisten Kopien in genetischen Regionen mit besonders niedriger Rekombinationsrate befinden, zu denen u. a. auch die Centromere gehören. Ein weiteres Indiz für den Einfluss der Transposonen. Leider gelang es (noch) nicht, den direkten Zusammenhang zu finden.

Es begann vor 21 Millionen Jahren

Zu erwähnen ist bei der Gelegenheit, dass man die HODOR-Sequenzen auch im Birnengenom findet, was automatisch Fragen über die gemeinsame Vergangenheit aufwirft. Fakt ist, dass weit über 70 % der Transposonen vor rund 21 Millionen Jahren plötzlich aktiv wurden und ihre Zahl stark zunahm. Zeitlich fällt dies zusammen mit der Entstehung - oder besser gesagt Erhebung - des Tien-Shan-Gebirges in Zentralasien, inmitten der Ursprungsregion des Apfels. Wie aber hängen beide Ereignisse zusammen?

Die Vermutung ist, dass die Vorfahren des modernen Apfels während der Geburt des Tien-Shan-Gebirges über längere Perioden einer sich wandelnden Umgebung ausgesetzt waren, was im Vergleich zur Periode davor zusätzlichen Stress bedeutete. Letzteres wiederum begünstigt nach jüngsten Erkenntnissen die Aktivierung und Verbreitung von Transposonen im Erbut. Es ist nicht auszuschließen, dass die Evolution dadurch einen deutlichen Impuls erhielt und die Diversifizierung zwischen Apfel und Birne gefördert wurde.

Welche Rolle spielt die Epigenetik?

Wenden wir uns nun aber der Epigenetik zu. Wenn von ihr die Rede ist, dann oft im Zusammenhang mit DNA-Methylierungen. Für Pflanzenforscher und -züchter stellt sich immer häufiger die Frage, ob und wie Merkmale wie die Apfelgröße von epigenetischen Faktoren beeinflusst werden. Um dies zu beantworten, verglichen die Forscher die Golden-Delicious-Linie GDDH18 mit der Linie GDDH13. Beide Linien sind sowohl genetisch als auch phänotypisch fast identisch, haben aber unterschiedliche Fruchtgrößen.

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Im Norden der Taklamakan-Wüste verläuft das Tien-Shan-Gebirge von West nach Ost. Es ist Teil der Ursprungsregion des asiatischen Wildapfels (Malus sieversii), dem Vorfahr des modernen Apfels. 

Im Norden der Taklamakan-Wüste verläuft das Tien-Shan-Gebirge von West nach Ost. Es ist Teil der Ursprungsregion des asiatischen Wildapfels (Malus sieversii), dem Vorfahr des modernen Apfels. 

Bildquelle: © NASA/gemeinfrei

Antworten im Methylom

Der Vergleich des Methyloms von GDDH13 und GDDH18 zeigt, dass bei Letzterer die Promotoren dreier Gene für die Blüten- und Fruchtentwicklung – SPL13, ACS8 und CYP71A25 – neun Tage nach der Bestäubung stark methyliert sind, was ihre Aktivität einschränkt. Dies wirkt sich negativ auf die Zahl der Zellen und deren Volumen im Parenchym der Früchte aus. Diese Früchte sind daher nur etwa halb so groß.

Erst die Erstellung von Referenzgenomen machten neue Erkenntnisse wie zum HODOR-Transposon oder zum epigenetischen Einfluss auf agronomische Merkmale möglich. Seit Anfang des Jahres hat die Zahl entsprechender Publikationen zugenommen. Hinter dieser Entwicklung stehen technologische Fortschritte aus jüngster Zeit.

Längere Contigs machen’s möglich

So ist es gelungen, die Länge der Contigs zu erhöhen (daher auch der Name Long-Read-Technologie). Im Fall des Apfelgenoms stieg deren Länge von 120.000 Basenpaare beim ersten sequenzierten Apfelgenom auf jetzt rund 620.000 Basenpaare pro Contig. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten z. B. bei der Erforschung repetitiver DNA-Elemente. Deren Sequenzen konnten zuvor nur in stark fragmentierter Form gelesen und deshalb nur schwierig ihrem genetischen Ursprungsort zugeordnet werden. Dies war bislang auch der Grund für die Schwierigkeit bei der Erforschung der Transposonen, weil diese häufig in repetitiven DNA-Bereichen zu finden sind.

2017 ist das Jahr der neuen Referenzgenome

Es sieht ganz danach aus, als sei in diesem Sommer das Sequenzierungsfieber ausgebrochen. Von A wie Ananas (Ananas comosus) bis Z wie Ziege (Capra Hircus), die Zahl neuer Referenzgenome steigt und steigt. Nicht nur klassische Modellorganismen stehen dabei im Fokus, sondern immer häufiger auch Exoten. In vielen Laboren und Instituten wird gerade fleißig probiert, verschiedene Ansätze und Verfahren zu kombinieren. Wir dürfen also gespannt sein, was als nächstes kommt.

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