Genidentifizierung in Kulturpflanzen

Die Erkennung von agronomisch wichtigen Genen und/oder Allelvarianten in Kulturpflanzen wird dringend für die zukünftige Entwicklung von neuem genetischen Material benötigt, um zum einen die Ernten zu erhöhen und die Ertragsstabilität, vor allem in Anbetracht des zu erwartenden weltweiten Klimawandels zu gewährleisten. Aufgrund der momentan noch gängigen sehr zeitaufwändig Züchtungsverfahren, mit meist mehr als 10 Jahren Dauer für die Erzeugung und Testung eines neuen Produktes oder einer neuen Sorte ist der Bedarf für schnelle und effiziente Selektionsmethoden von wesentlicher Bedeutung. Spezielle pflanzliche Eigenschaften wie Toleranz gegen Frost, Trockenheit oder Salz, Öl- und Eiweiß oder Stärkegehalt in Samen, dem Zeitpunkt der Blüte oder die Resistenz gegen Insekten stehen dabei im Vordergrund. Die Tatsache, dass viele der landwirtschaftlich nutzbare Pflanzeneigenschaften jedoch auf mehreren Gen-Funktionen und Interaktionen (Oligo- oder polygene Natur) beruhen, unterstreicht die Notwendigkeit einer Methode um eine direkte Verknüpfung von einem jedem (kommerziellen) wichtigen Merkmal mittels molekularer Marker zum verursachenden genetischen Hintergrund aufzuzeigen.

Ein wichtiger Schritt war dabei die Identifizierung von Genmutationen mittels Next-Generation-Sequencing (NGS)-Technologie und die Verknüpfung von neuen Mapping- und Algorithmen-Verfahren in der „SHOREmap“-Methode (Schneeberger et al., 2009). Dabei wird in einem einzigen simultanen Verfahren vergleichender Sequenzierung von DNA-Pools die Marker-Erkennung, die Typisierung und Kartierung von Genen (mit hoher agronomischer und wirtschaftlicher Bedeutung) durchgeführt. Das Prinzip dieser Methode, welches induzierte Mutationen oder natürlich / spontan auftretenden Sequenzvarianten (Laitinen et al., 2010) identifizieren kann, wurde bereits im Modellorganismus Arabidopsis gezeigt. Die "SHOREmap"-Methode stellt eine erweiterte Version der „bulked segregant Analyse“ dar welches normalerweise für das serielle Mapping von tausenden von Markern in vielen Einzellinien angewendet wird. Stattdessen nutzt SHOREmap die NGS-Kapazitäten anhand vergleichender Sequenzierung von DNA aus zwei phänotypisch klar unterscheidbaren ('Fälle' und 'Nicht-Fälle") Untergruppen einer segregierenden Population.

Im NuGGET-Verbund-Projekt, einer Verbindung von mehreren deutschen Pflanzenzüchterunternehmen und führenden akademischen Forschungsinstitutionen, soll die SHOREmap Methode für die Anwendung in Nutzpflanzen mit komplexen Genomen weiter entwickelt werden. Ziel des Nugget Projektes ist die Implementierung, Verbesserung und der Einsatz des neuartigen Verfahrens zur raschen Entdeckung von modifizierten Genen in Populationen von natürlichen oder künstlich erzeugten Mutanten unter Verwendung der NGS-Technologie. Die Verfügbarkeit eines solchen Verfahrens soll direkt in die Entwicklung neuer Sorten und Produkte einfließen sowie die grundlegende Forschung an und mit Nutzpflanzen steigern. Um dies zu erreichen, wird das NuGGET-Konsortium versuchen das am Modell Organismus Arabidopsis erfolgreich angewendeten Methode für den Einsatz an den hochkomplexen aber landwirtschaftlich bedeutsamen Kulturpflanzen wie Mais (10 Chromosome, 2,3 GB, ~80% repetitive Sequenzen), Raps (1,15 GB, 38 Chromosome), Zuckerrübe (18 Chromosome, ~0,8 GB) und Gerste (5,1 GB, ca. 80% repetitive Sequenzen) anzupassen.

Zunächst werden in sogenannten „Proof-of-Concept“ (POF)-Experimenten einfache, durch einzelne Genvarianten erzeugte Eigenschaften wie "Dwarf" oder "rotes Hypokotyl" (Zuckerrübe) oder der Blühzeitpunkt (Mais) untersucht um die Methodik zu testen, anzupassen und zu optimieren. Später sollen komplexere Merkmale wie Glucosinolat- und Öl-Gehalt in Samen (Raps) untersucht werden bevor in einem dritten Schritt die SHOREmap-Analyse dazu benutzt wird Mutationen an einer neu herzustellenden Mais-EMS-Population zu identifizieren, zu charakterisieren und möglicherweise sofort in eine wirtschaftliche Verwertung zu implementieren.