In Rekordzeit zur Genkarte

Whole Genome Profiling beschleunigt die Erstellung von physikalischen Karten

04.06.2014 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Damit auch zukünftig eine reiche Ernte eingefahren werden kann, müssen Weizenzüchter die Pflanzen konstant verbessern. Sequenzinformationen sind dabei eine große Hilfe. (Bildquelle: © Comstock/Stockbyte/Thinkstock)
Damit auch zukünftig eine reiche Ernte eingefahren werden kann, müssen Weizenzüchter die Pflanzen konstant verbessern. Sequenzinformationen sind dabei eine große Hilfe. (Bildquelle: © Comstock/Stockbyte/Thinkstock)
Weizen ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt. Sein Genom ist mit 17 Millionen Basenpaaren mehr als fünf Mal so groß wie das menschliche. (Quelle: © kissyfurr/iStock/Thinkstock)
Weizen ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt. Sein Genom ist mit 17 Millionen Basenpaaren mehr als fünf Mal so groß wie das menschliche. (Quelle: © kissyfurr/iStock/Thinkstock)

Es war eine Aufholjagd, die ihresgleichen sucht. Als letzte gingen sie an den Start, als sechste von 21 Gruppen überquerten sie die Ziellinie. Das Team um Thorsten Schnurbusch vom IPK Gatersleben hat die physikalische Karte des Weichweizen-Chromosoms 6A in Rekordzeit erstellt. Dabei half den Wissenschaftlern die neue Methode Whole Genome Profiling (WGP).

„Ohne diese Technik hätten wir sicher ein bis zwei Jahre länger gebraucht“, erklärt Schnurbusch, der die Arbeitsgruppe „Pflanzliche Baupläne“ am IPK Gatersleben leitet. „WGP ist robuster, schneller und effizienter als die konventionelle Methode des High Information Content Fingerprinting (HICF)“, preist Hauptautor Naser Poursarebani die Vorzüge. Einziger Nachteil ist der vergleichsweise hohe Preis.

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Weichweizen hat ganz besondere Klebereiweiße, die das Getreide zu einer wichtigen Backzutat machen. Hartweizen, der nur etwa zehn Prozent des gesamten Weizenanbaus ausmacht, wird hingegen hauptsächlich zu Nudeln verarbeitet.

Weichweizen hat ganz besondere Klebereiweiße, die das Getreide zu einer wichtigen Backzutat machen. Hartweizen, der nur etwa zehn Prozent des gesamten Weizenanbaus ausmacht, wird hingegen hauptsächlich zu Nudeln verarbeitet.

Bildquelle: © baloon111/iStock/Thinkstock

Robuster, schneller und effizienter, aber leider auch teurer

Bei der Erstellung einer physikalischen Karte geht es im ersten Schritt darum, die Anzahl von Genen abzuschätzen und deren Positionen auf den unterschiedlichen Chromosomen abzugrenzen. Genkartierungen sind für die Pflanzenzucht von großer Bedeutung. Mit ihrer Hilfe lässt sich feststellen, wie züchterisch interessante Gene auf die Nachkommen vererbt werden.

Die Forscher um Thorsten Schnurbusch konnten auf der physikalischen Karte die Lage von Genen genauer bestimmen, die bei der Verteidigung gegen Mehltau sowie der Resistenz gegen Schwarzrost eine wichtige Rolle spielen. Zwar war bereits bekannt, dass sich diese Gene auf dem Chromosom 6A befinden. Mit Hilfe der physikalischen Karte konnte ihre Position aber wesentlich exakter ermittelt werden. Diese Erkenntnisse können dabei helfen, den Weizen in Zukunft noch ertragreicher und widerstandsfähiger zu machen. Schließlich kann eine gezielte Kreuzung erst beginnen, wenn man weiß, wo genau sich die für ein Merkmal wichtigen Gene befinden.

Weichweizen (Triticum aestivum) ist eine unersetzliche Nahrungspflanze. Das Getreide liefert etwa 20 Prozent der weltweit von Menschen verzehrten Kalorien, hauptsächlich in Form von Brot und Getreidebrei. Die Züchter stehen vor der Herausforderung, die Pflanzen besser an den Klimawandel anzupassen und resistenter gegen Krankheiten zu machen. Die Sequenz des gesamten Weichweizengenoms zu kennen, gilt als wichtiger Schritt um dieses Ziel zu erreichen.

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Diese Forschung wurde hauptsächlich im Rahmen des PLANT 2030-Projekts TRITEX und teilweise vom GABI FUTURE-Projekt

Diese Forschung wurde hauptsächlich im Rahmen des PLANT 2030-Projekts TRITEX und teilweise vom GABI FUTURE-Projekt "MUTANT WHEAT SPIKES" finanziert.

TRITEX arbeitet an der Erforschung von Triticeae-Genomen per Hochdurchsatz-Sequenzierung. 
Mehr zum Projekt TRITEX

Das Genom ist riesig und hoch repetitiv

Doch dieses Projekt stellt die Wissenschaft gleich vor mehrere Probleme. Da ist einerseits die schiere Größe des Genoms. Eine Weizenzelle enthält etwa fünf Mal so viel DNA wie eine menschliche. Außerdem behindert der hohe Anteil an repetitiven Sequenzen, es sind über 80 Prozent, eine schnelle und fehlerfreie Sequenzierung. Um das Mammutprojekt zu beschleunigen, hat das internationale Weizen-Sequenzierkonsortium (IWGSC) die insgesamt 21 Chromosomen auf unterschiedliche Länder aufgeteilt. „Das reduziert die Komplexität ganz wesentlich“, erklärt Poursarebani. Deutschland bekam 6A zugewiesen.

Es handelt sich dabei um ein Chromosom, das ursprünglich von dem Gras Triticum urartu stammt. Das Genom des modernen Weizens besteht aus drei diploiden Vorläufergenomen, die ursprünglich aus Wildgräsern stammen. Bis heute ist nicht geklärt, ob diese gezielt durch Menschenhand oder zufällig zusammen kamen und sich zum Weizengenom vereinigten. Klar ist hingegen, dass diese Genomfusion Schritt für Schritt, also nacheinander erfolgte. Neben T. urartu haben auch eine noch unbekannte, mit Aegilops speltoides verwandte Grasart sowie das Ziegenaugengras Aegilops tauschii ihre Gene beigesteuert. Jetzt, da die physikalische Karte steht, wird als nächstes die Sequenzierung folgen. Basenpaar für Basenpaar.

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