90 Chromosomen in einem hexaploiden Chromosomensatz

Fünf Forschungsinstitute in China und Deutschland haben zusammen das große und äußerst komplexe Genom der Süßkartoffel sequenziert. Die Daten zeigen: Die Süßkartoffel hat eine ähnliche Entstehungsgeschichte wie der Weichweizen. Züchter können in Zukunft auf die Genomsequenz zurückgreifen, um ihre Süßkartoffeln für den Klimawandel zu wappnen.

Hierzulande gilt die Süßkartoffel (Ipomoea batatas) immer noch als kleiner Exot, auch wenn sie immer häufiger in den Supermarktregalen zu finden ist. Weltweit werden jährlich etwa 100 Millionen Tonnen der süßen Knolle produziert. Damit befindet sich die Süßkartoffel auf Platz 7 der weltweit wichtigsten Nutzpflanzen – in China schafft sie es sogar auf Platz 4. Wenn die Reisversorgung knapp ist, greifen die Chinesen bevorzugt auf die Süßkartoffel zurück. Sie versorgt die Menschen mit Kalorien, Proteinen, Vitaminen und Mineralstoffen. Vor allem Ballaststoffe und Vitamin D sind in der Süßkartoffel reichlich vorhanden. Während der großen Hungersnot in China in den 1960er Jahren rettete die Süßkartoffel zahlreichen Menschen das Leben. Seitdem wird sie dort als Pflanze zur Nahrungssicherheit konsequent angebaut.

Sehr großes und komplex aufgebautes Genom

Trotz ihrer großen Bedeutung als Nutzpflanze wurde das Genom der Süßkartoffel erst jetzt sequenziert. Das lag hauptsächlich daran, dass das Erbgut der süßen Knolle mit 4,4 Gigabasen recht groß, dazu aber auch außerordentlich komplex aufgebaut ist. Stolze 90 Chromosomen besitzt die Pflanze. Ihr Chromosomensatz ist hexaploid, wie der des Weizens. Polyploide Genome – das sind alle Genome, die mehr als den normalen zweifachen Chromosomensatz enthalten – sind bis heute nicht einfach zu sequenzieren. Schuld daran ist das Vorhandensein eben von drei oder mehr Kopien des einfachen Chromosomensatzes, die sich so sehr ähneln, dass die Zusammensetzung der einzelnen Sequenzabschnitte einem Puzzlespiel gleicht. Lösbar ist das Problem, in dem die Forscher wie beim Weizengenomprojekt, einzelne Chromosomenarme sequenzieren.

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Wie kommt es überhaupt zu einer Polyploidie bei Pflanzen?

Die Vervielfältigung eines Chromosomensatzes kann verschiedene Ursachen haben: Sind beispielsweise die Spindelfasern nicht richtig ausgebildet, können sich die Chromosomen bei der Meiose nicht korrekt teilen. Sie bleiben aneinander haften und gelangen so im Doppelpack in eine Zelle. Auch spontane Mutationen, Gifte oder äußere Umwelteinflüsse können die korrekte Aufteilung der Chromosomen während der Meiose verhindern. Das geht nicht immer gut für den betreffenden Organismus aus. Im schlimmsten Fall endet der Vorgang tödlich.

Zufällige Einkreuzungen blähen Erbgut auf

Zahlreiche Pflanzen profitieren jedoch von diesen Ereignissen, die nicht selten als Evolutionsbeschleuniger wirken. Beim Weizen haben genetische Untersuchungen genau zeigen können, wie unser heutiger hexaploider Weichweizen entstanden ist: Es begann mit zufälligen Einkreuzungen von Wildgräsern in das Genom des nur diploiden (2n) Einkorns. So entstand zunächst aus dem Einkorn (2n) und einem Wildgras (2n) der tetraploide Emmer (4n), der sich ebenfalls spontan mit einem weiteren Wildgras (2n) kreuzte, welche somit den dritten diploiden Chromosomensatz in unseren heutigen hexaploiden Weichweizen (6n) brachte.

Ahnenforschung: Hexaploider Chromosomensatz macht widerstandsfähig

Die Sequenzierung des Süßkartoffelgenoms zeigte, dass die süße Knolle eine ähnliche Entstehungsgeschichte durchlaufen hat wie unser Weichweizen. Vor etwa 500.000 Jahren entstand sie aus einer Kreuzung zwischen einem diploiden sowie einem tetraploiden Vorfahren. In Summe ergibt das ebenfalls einen sechsfachen Chromosomensatz. Eine neu entwickelte Typisierungsmethode half den Wissenschaftlern dabei, jedes der 90 Chromosomen einer Vorgängerpflanze zuzuordnen.

Ihre Analysen zeigten außerdem: Einige Gene auf den jeweils sechs homologen Chromosomen waren häufig mutiert. Doch offenbar hat die Süßkartoffel davon keinen Schaden genommen, da intakte Gene auf den anderen Chromosomen diese Fehler ausgleichen. Ein sechsfacher Chromosomensatz sichert die Pflanze also ab, auch bei kritischen Mutationen einzelner Genkopien ohne größere Einschränkungen zu überleben. Mutationen, die auf diesen homologen Chromosomen stattfinden, können der Pflanze aber auch Vorteile verschaffen, die ihr Überleben günstig beeinflussen.

Genomsequenz: Grundlage für Züchtung

Die Genomforschung bei Pflanzen hilft nicht nur Wissenschaftlern, ein besseres Verständnis für unsere Nahrungsgrundlage zu bekommen, sondern auch Züchtern, die die Eigenschaften ihrer Pflanzen verbessern wollen. Das ist in Anbetracht des Klimawandels und der steigenden Weltbevölkerung ein notweniges Unterfangen, um die Nahrungssicherung der Menschen zu gewährleisten.