Aus kleinen Änderungen große Schlussfolgerungen ziehen

Verbesserte Analyse für Genome polyploider Pflanzen

16.12.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Brasilien ist der größte Zuckerexporteur der Welt. (Quelle: © Rufino Uribe/wikimedia.org, CC BY-SA 2.0)
Brasilien ist der größte Zuckerexporteur der Welt. (Quelle: © Rufino Uribe/wikimedia.org, CC BY-SA 2.0)

Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, die die Analyse des Genoms polyploider Pflanzen wesentlich verbessert. Die genetischen Karten von Zuckerrohr, Baumwolle, Weizen und vielen anderen könnten damit deutlich verbessert und die Züchtung präziser werden.

Viele unserer Kulturpflanzen sind polyploid, sie haben mehr als zwei Chromosomensätze. Bisher konnten das Genom der Polyploiden deshalb nur unzureichend erforscht werden. Vom Zuckerrohr, dieser für Nahrungsmittel- und Energieproduktion so essenziellen Pflanze, ist nicht einmal die Anzahl der Chromosomensätze bekannt. Irgendetwas zwischen sechs und zwanzig dürfte es sein, schätzen die Wissenschaftler. Gezielte Kreuzungszüchtung zur Produktion besserer Sorten ist mit diesem dürftigen Wissen unmöglich.

Der Grund für die mangelhaften Analysemethoden ist vermutlich, dass sich der Mensch seit jeher am allermeisten für sich selbst interessiert. Und die Genome von Menschen sind wesentlich einfacher zu durchschauen als die von Pflanzen. Wir erben genau einen Chromosomensatz von der Mutter und einen vom Vater; wir sind diploid. Die Methoden, mit denen Wissenschaftler genetische Karten erstellen und den Ort und die Anzahl von Genausprägungen im Genom (Allele) ermitteln, sind deshalb für diploide Organismen optimiert.

Der Mensch erforscht am liebsten sich selbst

Schon kleinste Abweichungen von der Diploidie führen beim Menschen und den meisten Tieren zu Entwicklungsstörungen oder zum Tod. Die Trisomie 21, auch als Down-Syndrom bekannt, ist einer der wenigen Fälle bei denen ein Chromosom in dreifacher Ausführung keine lebensbedrohlichen Auswirkungen hat.

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Auch einige der wichtigsten Baumwollsorten sind polyploid. Die Genotypisierung mit Hilfe von SNP ermöglicht ein besseres Verständnis des Genoms dieser Pflanzen.

Auch einige der wichtigsten Baumwollsorten sind polyploid. Die Genotypisierung mit Hilfe von SNP ermöglicht ein besseres Verständnis des Genoms dieser Pflanzen.

Quelle: © iStockphoto.com/ PetePattavina

Bei Pflanzen hingegen geht es in den Zellkernen drunter und drüber. Es gibt Tetra-, Hexa- oder sogar Dodekaploide, die ihren griechischen Vorsilben entsprechend vier, sechs oder sogar zwölf Chromosomensätze besitzen. Sie sind nicht einmal die Ausnahme. Weizen, Baumwolle, Kartoffel und Erdbeere – sie alle haben zahlreiche Kopien ihres Genoms und gehören damit zu den Polyploiden.

Pflanzenforschern machen diese hohen Ploidiegrade das Leben schwer. Während Menschen maximal zwei verschiedene Ausprägungen eines Gens (Allele) besitzen können, wie zum Beispiel die Blutgruppe A auf dem einen und B auf dem anderen Chromosom, ergeben sich bei polyploiden Pflanzen ungleich mehr Möglichkeiten.

Vom Zuckerrohr existieren 22 verschiedene Genkarten, obwohl es nur eine geben dürfte

Eine hexaploide Pflanze kann von einem Allel zwischen null und sechs Kopien besitzen und mit jeder Kopie, also der genetischen Dosis, steigt der Einfluss des Gens auf den Organismus. Doch alles, was die Forscher bisher ausmachen konnten, ist das Vorhandensein oder das Fehlen eines Allels.

Die zahlreichen Chromosomensätze behinderten auch die Erstellung von Genkarten. Analog einer Landkarte auf der die Positionen von Städten, Straßen und Seen eingetragen sind, kann man auf einer genetischen Karte ablesen, wo im Genom sich ein Gen befindet. Vom Zuckerrohr erstellten unterschiedliche Labore bis heute genau 22 verschiedene Genkarten. Zielgerichtete Navigation? Unmöglich.

Jetzt haben brasilianische Wissenschaftler eine neue Analysemethode vorgestellt, die wesentlich präzisere Ergebnisse liefert. Am Beispiel vom Zuckerrohr zeigen sie, wie eine statistische Auswertung einzelner Nukleotidveränderungen (SNPs) den Ploidiegrad und die Alleldosis bestimmen kann. Bisher gibt es keinen anderen Ansatz, mit dem sich polyploide Genome so gut analysieren lassen.

Dass diese Ergebnisse gerade aus Brasilien kommen, lässt aufhorchen. Der fünftgrößte Staat der Welt gibt immerhin 1,2 Prozent seines Bruttoinlandsprodukts für Forschung und Entwicklung aus. Im Vergleich mit Deutschlands mit nunmehr 3,0 Prozent oder knapp 80 Milliarden Euro, wobei der größte Teil (54 Mrd. Euro) aus der Wirtschaft kommen, erscheint das wenig. Doch alle anderen Lateinamerikanischen Staaten stecken in der Regel nicht mal halb so viel Geld in ihre Forschungseinrichtungen wie die Brasilianer.

Gerade Zuckerrohr, diese wirtschaftlich so bedeutende Pflanze, hat das Interesse der brasilianischen Forscher geweckt. Geschätzte 640 Millionen Tonnen des süßen Grases (Familie der Poaceae) werden in der Saison 2013/2014 von den Feldern Brasiliens geerntet. Dieses Jahr soll zum ersten Mal weniger als die Hälfte davon zu Zucker verarbeitet werden und der Großteil in die Biospritproduktion fließen. Die Marktpreise für Zucker sind schlicht und ergreifend weniger attraktiv als die für Bioethanol.

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