Dem Genom der Gerste auf der Spur

Das Gerstegenom ist groß und komplex. Seine Sequenzierung wird auch Informationen über das nah verwandte Weizengenom liefern. Wissenschaftler entwickelten nun eine erfolgreiche Strategie, wie das Genom der Gerste entschlüsselt werden kann.

Die wachsende Weltbevölkerung und der Klimawandel stellen die Menschheit vor neue Herausforderungen in der Erzeugung von Nahrungsmitteln. Die Genomsequenz einer Pflanze ist dabei der zentrale Ausgangspunkt für moderne Züchtungsmethoden, mit denen das volle genetische Potential der Pflanze ausgeschöpft werden kann. Nur wenn Wissenschaftler den genetischen Code einer Pflanze kennen, können sie wichtige Fragen der Nutzpflanzenbiologie beantworten und die molekularen Mechanismen verstehen, die für die Ausprägung komplexer Eigenschaften verantwortlich sind. Bisher liegen nur die Genome von Reis (Oryza sativa) und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana vollständig und in hoher Sequenzqualität vor. Die Größe und Komplexität der Getreidegenome erschwerten bisher deren Sequenzierung. Einer internationalen Forschungsgemeinschaft unter der Leitung von Dr. Nils Stein, Arbeitsgruppenleiter am vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben, gelang nach zweijähriger Arbeit erstmalig der genomweite Einblick in die ökonomisch und wissenschaftlich wichtige Getreideart Gerste. Selbst wenn sie mit derzeitigen Methoden noch keine Referenzsequenz erstellen konnten, entwickelten die Wissenschaftler nun eine ausbaufähige Übergangslösung, die als Grundlage für die vollständige Genomsequenzierung von Gerste und Weizen dienen wird.

Gerstenfeld im Stadium der Milchreife (Quelle: IPK Gatersleben).

Warum gerade Gerste?

Gerste ist weitaus mehr als der Rohstoff für Bier und Viehfutter. Die Triticeae Spezies Weizen (Triticum aestivum) und Gerste (Hordeum vulgare) nehmen laut Daten der FAO (Food and Agricultural Organisation of the USA) gemessen an ihrer Anbaufläche Platz eins und fünf in der weltweiten Nahrungsmittelproduktion ein (FAOSTAT, 2007). Dass es von diesen beiden bedeutenden Getreidearten bisher noch keine vollständige Genomsequenz von brauchbarer Qualität gibt, liegt vor allem an deren Größe und Komplexität. Das Weizengenom umfasst etwa 17 Gigabasenpaare (Gb), das der Gerste 5,1 Gb. „Das Gerstengenom ist etwa eineinhalb mal so groß wie das menschliche Genom und entspricht ungefähr 12 mal dem Reisgenom, dessen Sequenzierungskosten auf über 100 Millionen US-Dollar geschätzt wurden“, verdeutlicht Dr. Nils Stein die Größenverhältnisse. Weizen verfügt über ein hexaploides Genom (2n=6x=42), das aus der Verschmelzung dreier nah verwandter Genome entstanden ist. Das Genom der Gerste ist diploid (2n=2x=14). „Weizen und Gerste sind sehr nah verwandte Getreidearten mit vielen ähnlichen Eigenschaften und man weiß aus vergleichenden Genomkartierungen und aus zytogenetischen Untersuchungen, dass die Anordnung der Gene in Weizen und Gerste sehr ähnlich ist“, so Dr. Stein. Eine ähnliche Abfolge eines Großteils der Gene fanden Forscher auch beim Vergleich von Gerste und Weizen mit anderen Gräsergenomen, wie beispielsweise dem des Reis, der Hirse (Sorghum bicolor) oder des Wildgrases Zwenke (Brachypodium distachyon). 

Wissenschaftler bezeichnen die gemeinsame Reihenfolge von Genen oder Gensegmenten auf verschiedenen chromosomalen Abschnitten, wie sie beim Vergleich von Weizen und Gerste findet, als Kollinearität oder als konservierte Syntenie. Zwischen Gerste und Weizen sind viele Merkmale stark konserviert. Dazu gehören beispielsweise die Blühkontrolle, die Regulation von Winter- und Sommerwuchsform (Unterscheidung Winter-/Sommergetreide) oder die Wuchshöhe. „Die Urformen unserer heutigen Getreide Gerste und Weizen stammen aus derselben Region, dem sog. Gebiet des goldenen Halbmondes – der Südosttürkei, dem Iran, Nord-Syrien und Israel“, erklärt Dr. Stein. Ihre Entwicklungswege trennten sich erst vor etwa zwölf bis 13 Millionen Jahren, die von Reis und Gerste/Weizen bereits vor 50 bis 70 Millionen Jahren. Daher wird die Entschlüsselung des Gerstengenoms auch zum besseren Verständnis des weitaus komplexeren Weizengenoms beitragen.

Versuchsfeld auf dem Gelände des Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) (Quelle: IPK Gatersleben).

Warum sich Forscher nicht gleich an den Weizen wagten, erklärt Dr. Stein folgendermaßen: „Wenn es darum geht, Eigenschaften bestimmten Chromosomen zuzuordnen, muss man genetische Kartierungen durchführen. Dazu bedarf es der Entwicklung molekularer Marker.“ Das alles sei im Weizen sehr viel aufwendiger als in der Gerste. Denn für jedes Gen gibt es im hexaploiden Weizen in den meisten Fällen drei Kopien auf den drei homologen Genomen. „Die drei Teilgenome im Weizen sind sich auch nach vielen Millionen Jahren noch immer sehr ähnlich. Bei der Entwicklung molekularer Marker in Weizen, ist es oftmals sehr schwierig zu bestimmen, aus welchem der drei Weizengenome dieser stammt“, so Dr. Stein.

Der Startschuss

Das internationale Sequenzierkonsortium für Gerste wurde 2006 initiiert. Deutschland förderte das Projekt über das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den letzten vier Jahren mit knapp sieben Millionen Euro. Zu Beginn des Vorhabens fassten alle Beteiligten den Entschluss, eine physikalische Karte des Gerstengenoms als Basis für die Entwicklung einer Referenzsequenz des Gerstengenoms zu erstellen. Anhand einer solchen Karte kann das Genom stückweise durch die Analyse sich überlappender BAC-Klone sequenziert und zu einer hoch-qualitativen Sequenz zusammengesetzt werden. Alternative Strategien wie die Shotgun-Sequenziertechnik können diesen Ansatz ergänzen, stellen aber gegenwärtig für komplexe Pflanzengenome noch keine vollwertige Alternative dar.