Wildgras-Genom liefert Informationen für Weizen-Genom

Kenntnis der Genomsequenz verbessert Zucht

05.04.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Der moderne Weizen entstand durch die Aufnahme des gesamten Gensatzes des Wildgrases Aegilops tauschii in den Emmer. Das Bild zeigt einen nahen Verwandten: Das Wildgras Aegilops speltoides. (Quelle: © Sten Porse/ Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)
Der moderne Weizen entstand durch die Aufnahme des gesamten Gensatzes des Wildgrases Aegilops tauschii in den Emmer. Das Bild zeigt einen nahen Verwandten: Das Wildgras Aegilops speltoides. (Quelle: © Sten Porse/ Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)

Das riesige und komplex aufgebaute Weizengenom ist nicht einfach zu sequenzieren. Nun gelang Wissenschaftlern die Sequenzanalyse des Wildgrases Aegilops tauschii, das einst mit dem Emmer zu unserem heutigen Weizen verschmolz.

Wegen seines komplexen Erbguts ist die Züchtungsforschung bei Weizen noch lange nicht soweit wie bei anderen Nutzpflanzen. Züchtern geht es vor allem darum, den Ernteertrag zu verbessern und die genetischen Hintergründe von Eigenschaften wie Kälte-, Trockenheit- und Krankheitsresistenz zu verstehen. Dazu wäre es natürlich sehr hilfreich, wenn das Genom des Weizens gänzlich bekannt wäre. So weit sind die Wissenschaftler allerdings noch nicht. Durch evolutionäre Verwandtschaft mit Pflanzen die weniger komplexe Genome besitzen, versuchen die Forscher sich dem Ziel, das gesamte Genom der Weltnahrungspflanze Weizen zu entschlüsseln, zu nähern. Deutsche Forscher sind hieran maßgeblich beteiligt. Sei es als Bioinformatiker bei der Datenanalyse und Assemblierung der Genome oder bei der Sequenzierung der Gerste. Gerste ist bedeutende Kulturpflanze und gleichzeitig ein Modellorganismus für den Weizen.  

Weizengenom schwierig zu sequenzieren

Der moderne Weizen entstand durch die Aufnahme des gesamten Gensatzes des Wildgrases Aegilops tauschii in den Emmer. Das hexaploide Weizengenom ist mit seinen 16 Milliarden DNA-Bausteinen (16 Mbp) etwa fünfmal so groß wie das menschliche Genom. Zwei Faktoren erschweren das Sequenzieren des großen Getreidegenoms zusätzlich: Zum einen die große Anzahl sich wiederholender , repetitiver Basenabfolgen, zum anderen die große Anzahl der als springende Gene bezeichneten DNA-Abschnitte, die Transposons. Zum Vergleich: Das Arabidopsisgenom enthält etwa 10 Prozent repetitive Sequenzen, beim Weizen sind es um die 80 Prozent. Auch Transposons beinhalten viele repetitive Basenabfolgen. Diese erschweren das Zusammensetzen der vielen kleinen Bruchstücke, den sogenannten „Reads“, die von den Sequenziergeräten erzeugt werden. Diese müssen zu der Gesamtsequenz des Genoms, der Konsensussequenz, zusammengefügt werden. Vor allem beim Einsatz der neuen Next-Generation-Sequencing-Technologien (NGS), die nur relativ kurze Leselängen erlauben, entstehen zum Teil beträchtliche Lücken in der Basenabfolge des Genoms, weil die zahlreichen sich wiederholenden Abschnitte mit bioinformatischen Methoden nicht richtig aneinander gefügt werden können.

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Ein Feld mit Winterweizen im Juli. Weizen ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel, doch sein Genom läst sich sich nicht so einfach entziffern.

Ein Feld mit Winterweizen im Juli. Weizen ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel, doch sein Genom läst sich sich nicht so einfach entziffern.

Bildquelle: © Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm

Vom Wildgras-Genom zum Weizen-Genom

Nun ist es ihnen jedoch gelungen, 83,4 % der gesamten Genomsequenz des diploiden Wildgrases Aegilops tauschii, das einst mit dem Emmer zum Weizen verschmolz, zu bestimmen. Ihre Daten zeigten, dass rund zwei Drittel des Wildgrasgenoms aus 410 verschiedenen Familien von Transposons besteht. Der Ursprung und die biologische Funktion von Transposons ist noch nicht vollständig geklärt. Es handelt sich vermutlich um von Retroviren abgeleitete DNA, die sich in das Wirtsgenom integrierte und dann vererbt wird. Forschungsergebnisse zeigten jedoch, dass Transposons eine durchaus wichtige Funktion haben, da sie wichtige genetische Innovationen rasch im Erbgut verbreiten können.

Die Ausdehnung des Wildgrasgenoms durch die Insertionen der Transposons muss den Wissenschaftlern zufolge evolutionsgeschichtlich in jüngerer Zeit und zeitgleich mit dem abrupten Klimawandel während des Pliozäns vor etwa vier Millionen Jahren stattgefunden haben.

Genetische Informationen für besondere Merkmale

Seine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Krankheiten scheint das Wildgras der mikroRNA-Familie miR2275 zu verdanken, von der die Wissenschaftler acht Mitglieder in Aegilops tauschii fanden. Diese mikroRNAs waren bereits zuvor mit der pflanzlichen Immunabwehr assoziiert worden. Bei Reis sind bisher zwei dieser mikroRNAs bekannt, bei Mais immerhin vier.

Außerdem erregte eine weitere Entdeckung das Aufsehen der Wissenschaftler: Aegilops tauschii verfügt über wesentlich mehr Gene (485) der Cytochrom P450 Familie als Hirse (365), Reis (333), Brachypodium (262) und Mais (261). Diese Genfamilie spielt vor allem bei der Reaktion einer Pflanze auf abiotischen Stress, also die sich verändernden Umweltbedingungen, eine Rolle.

Bedeutung des Weizens

Weizen ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel weltweit. Zum Weizen gehören eine Reihe von Pflanzenarten der Süßgräser (Poaceae) der Gattung Triticum L.. Der heutige Saatweizen ging aus der Kreuzung mehrerer Getreide- und Wildgrasarten hervor. Die ersten angebauten Weizenarten waren Einkorn (Triticum monococcum) und Emmer (Triticum dicoccum) und wurden im Vorderen Orient kultiviert.

Aus dem Einkorn entwickelte sich durch die natürliche Kreuzung mit einem anderen Wildgras der tetraploide Emmer (Triticum dicoccum), aus dem später durch Zucht Arten wie Hartweizen und Kamut entstanden. Der heute vorwiegend angebaute Weichweizen (Triticum aestivum) ist eine jüngere Züchtung und genetisch relativ weit von dem in historischen Quellen genannten „Weizen“ entfernt.

So verzehrten die alten Römer das Wildgras Aegilops tauschii als Weizen, das wir heute als Emmer bezeichnen.

Daten frei zugänglich

Die Wissenschaftler sehen in ihrer Arbeit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der genetischen Vielfältigkeit des Weizens und seiner Entstehungsgeschichte. Dieses Wissen bilde die Grundlage, den Weizen an den globalen Klimawandel und den wachsenden Bedarf der Menschen an Nahrung und Bioenergie anzupassen.

Die riesige Datenmenge von 1,5 Terrabyte steht allen Wissenschaftlern in der GigaScience Datenbank unter http://dx.doi.org/10.5524/100050 and http://dx.doi.org/10.5524/100054 und als Rohdaten in der NCBI SRA Datenbank unter den Zugangsnummern SRP005973 and SRP005974 zu freien Verfügung.

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