Auch das Rosen-Genom ist nun sequenziert

Bald noch schöner und wohlriechender?

15.06.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Rosen sind hochgradig heterozygot. Daher ist es kein einfaches Unterfangen, das Genom einer Rose zu sequenzieren. (Bildquelle: © pixabay/CC0)
Rosen sind hochgradig heterozygot. Daher ist es kein einfaches Unterfangen, das Genom einer Rose zu sequenzieren. (Bildquelle: © pixabay/CC0)

Rosen verkörpern die Liebe – in all ihren Facetten und über Sprachgrenzen hinweg. Doch ihr Genom ist so komplex aufgebaut, dass es bisher nicht sequenziert werden konnte. Wissenschaftler haben nun eine Vorgehensweise entwickelt, mit der sie die größten Schwierigkeiten bei der Genomsequenzierung überwinden konnten.

Bereits seit der Antike bauen Menschen Rosen an. Heute sind die anmutenden Blumen weltweit verbreitet. Doch nicht nur kulturell sind Rosen bedeutsame Blumen, sie dienen auch als Ausgangsstoff für Parfums und andere Duftprodukte.

Heterozygotie ist die größte Herausforderung

Rosen bestechen vor allem mit zwei Eigenschaften: mit ihrem Aussehen und ihrem Duft. Doch bisher war nicht bekannt, welche genetischen Bausteine diesen Eigenschaften zugrunde liegen. Das hat einen guten Grund: Das Rosengenom ist zwar mit ca. 560 Megabasen im Vergleich zu anderen Pflanzen nicht besonders groß, dafür aber sehr komplex aufgebaut und äußerst schwierig zu sequenzieren. „Die Heterozygotie stellt die größte Herausforderung dar“, erklären Mohammed Bendahmane und seine Kollegen in ihrer aktuellen Veröffentlichung. 

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Das Genom von Rosa chinensis 'Old Blush' wurde sequenziert. 'Old Blush' stammt aus China, blüht mehrmals im Jahr und gilt als wichtiger Vorfahre der modernen Rosensorten.

Das Genom von Rosa chinensis 'Old Blush' wurde sequenziert. 'Old Blush' stammt aus China, blüht mehrmals im Jahr und gilt als wichtiger Vorfahre der modernen Rosensorten.

Bildquelle: © M. Bendahmane

„Old Blush“ aus China sequenziert

Dennoch haben die Wissenschaftler nun das Genom der modernen Rosenart „Old Blush“ entschlüsselt. „Old Blush“ stammt aus China, blüht mehrmals im Jahr und gilt als wichtiger Vorfahre der modernen Rosensorten. Die Rosenart besitzt sieben Chromosomenpaare und 36.377 Gene – und damit mehr als der Mensch (ca. 25.000 Gene) und die Ackerschmalwand (27.000 Gene).

„Über tausende Jahre wurde das Genom der Rose durch gezielte, unnatürliche Kreuzungen und Selektionen von Menschen in China und im Mittelmeerraum verändert, bis wir zu den fantastischen heutigen Hybridrosen gelangten“, beschreiben die Forscher die Evolutionsgeschichte der Rosen.

Umweg über homozygote Pflanzen

Um ein haploides Referenzgenom der stark heterozygoten und diploiden Rosenart „Old Blush“ zu erlangen, mit dem sich die Diversität alter und moderner Rosenarten nachvollziehen lässt, verfolgten Bendahmane und seine Kollegen eine ausgeklügelte Strategie: Sie wandelten Pollen der Rose in winzige, homozygote Pflanzen um und führten an diesen Miniaturpflanzen eine Einzel-DNA-Molekül-Sequenzierung durch.

Dazu entwickelten die Wissenschaftler ein in vitro-Protokoll, das spezielle Behandlungen der Pflanzen beinhaltete. Dazu gehörte beispielsweise das genau dosierte Aushungern der Pflanze, das dazu führt, dass die diploiden Mikrosporen der Rose von der Gametophyten-Entwicklung zur Sporophytenreife wechseln. Daraus resultierten homozygote Pflänzchen, deren Genom die Forscher im Anschluss analysierten. Die Wissenschaftler generierten auch Daten zu genomischen Polymorphismen und erstellten das erste Epigenom bei Rosen für die Blütenblätter. Diese Daten stellen eine solide Grundlage zur Erforschung molekularer Grundlagen einzigartiger Roseneigenschaften dar.

Vergleichende Genomanalyse mit verwandten Arten möglich

Zu den Rosengewächsen gehören auch zahlreiche beliebte Obstarten wie Aprikosen, Pfirsiche, Äpfel, Birnen und Erdbeeren. Auf der Basis der Rosengenomsequenz war nun erstmals eine vergleichende Genomanalyse mit diesen Früchten möglich. „Vergleichende genomische Untersuchungen erlaubten es uns, die Paläohistorie der Rosen innerhalb der Familie der Rosaceae zu beurteilen“, schreiben Forscher in der Studie.

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Rosen sind nicht nur hübsch anzuschauen. Die Blütenblätter der Rose dienen als Duftstofflieferant für die Parfum-Industrie.

Rosen sind nicht nur hübsch anzuschauen. Die Blütenblätter der Rose dienen als Duftstofflieferant für die Parfum-Industrie.

Bildquelle: © pixabay/CC0

Dem Rosenaroma auf der Spur

Mit der Genomsequenz der Rose „Old Blush“ legten die Wissenschaftler außerdem den Grundstein zur Entschlüsselung der Stoffwechselwege für Aussehen und Duft der Blüten. „Auf diesen Daten lässt sich wunderbar aufbauen“, heißt es in einem Kommentar zur Publikation. So fanden die Forscher in den Staubgefäßen und Blütenblättern von sechs verschiedenen Genotypen flüchtige aromatische Stoffe. Ein Bouquet aus 61 Terpenoiden, Phenylpropanoiden, Fettsäurederivaten und Phenylmethylether bildet zusammen die charakteristischen 'rosigen' Aromen.

Verbesserte Rosen durch markergestützte Selektion

Dank der neuen Daten können die Forscher nun besser verstehen, was den Rosen ihre geschätzten Eigenschaften verleiht. Die Genomanalyse liefert außerdem Informationen über Farbe, Blüte, und Resistenzen der Rose gegenüber biotischen und abiotischen Belastungen. Die Wissenschaftler haben eine Gruppe von Genen identifiziert, die gleichzeitig an der Regulation der Farbe und des Duftes der Blume beteiligt sind. Diese Daten sollten vor allem für Züchter hilfreich sein, die bestimmte Rosenmerkmale mit Hilfe der markergestützten Selektion weiterentwickeln möchten.

Wie sich die zukünftigen Rosenzüchtungen auf Verliebte auswirken, bleibt noch abzuwarten. Auf jeden Fall können die neu etablierten Sequenzierungsmethoden nun auch bei anderen heterozygoten Pflanzen Anwendung finden.

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