Baumgenomforschung – das Aschenputtel der Genomforschung?

Waldbäume fanden in der Genomforschung bisher wenig Beachtung. Viel mehr interessierten sich Wissenschaftler für Modellpflanzen oder Feldfrüchte. Durch ein erweitertes Methodenspektrum und die Notwendigkeit, Klimaveränderungen zu minimieren, wird sich das ändern. Im internationalen Jahr des Waldes schaut Pflanzenforschung.de hinter die Kulissen.

Waldbäume beherbergen etwa 82 Prozent der kontinentalen Biomasse und tragen zu mehr als 50 Prozent der gesamten Biodiversität auf dem Festland bei. Als Quelle für Feuer- und Bauholz, Papier und zahlreiche Früchte aber auch als Lebensraum vieler Tiere und als Erholungsraum sind sie für den Menschen von essentieller Bedeutung.

Forschungsaufwand bisher gering

In der Genomforschung anderer Pflanzenarten wie Arabidopsis thaliana, Mais, Reis oder Weizen arbeiten hunderte, manchmal sogar tausende Wissenschaftler an einer einzigen Art. Bei Bäumen ist das anders. Die Forschergemeinschaft, die sich den Genomen der Waldbäume widmet, umfasst weltweit nur etwa tausend Mitarbeiter. Obwohl es mindestens 100.000 verschiedene Arten von Waldbäumen gibt, konzentrieren sich die Arbeiten der kostenintensiven Genomprogramme bisher auf etwa ein Duzend domestizierte Bäume aus gemäßigten Klimazonen, die von großer ökonomischer Bedeutung sind.

Anders als bei den Nutzpflanzen gibt es bei Bäumen keinen reinen Modellorganismus und keine bestimmte Art, die eine besonders herausragende ökonomische Bedeutung hat. So haben die wild wachsenden tropischen Baumarten, von denen es die meisten Arten gibt, aus Kostengründen bisher noch keine Beachtung in der Genomforschung gefunden, obwohl sie ein wichtiges Glied in der Biodiversität der Erde sind. 

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Bisher nur wenige Genomsequenzierungsprojekte

Genomsequenzierungsprojekte beginnen normalerweise mit einer Referenzsequenz, die mit nachfolgenden Sequenzen verglichen wird. Dies war bei den Bäumen nicht so. Es fehlte einerseits an Geld, andererseits sind Baumgenome sehr groß, was deren Sequenzierung kompliziert, kostspielig und zeitaufwendig macht.

Die Pappelart Populus trichocarpa wurde von der amerikanischen Energiebehörde zur Genomsequenzierung am Joint Genome Institute (JGI) ausgewählt, da sie ein relativ kleines Genom besitzt und außerdem eine potentielle Quelle für Biokraftstoffe darstellt. 2006 wurde mit dieser Pappelart die erste vollständige Genomsequenz eines Baumes im Science-Magazin veröffentlicht. Sequenziert wurde mit der „Whole-Genome-Shotgun“- Methode (WGS, dt. Schrotschussverfahren) und der konventionellen Sanger-Methode, doch aufgrund der Größe und Komplexität des Genoms ist die Qualität der Sequenz an einigen Stellen noch verbesserungswürdig.

Die Basenabfolge dieser Pappel dient nun als Referenz für die Genomanalyse weiterer Pappelarten mit den „Next-Generation-Sequencing“-Technologien (NGS, dt. Hochdurchsatztechnologien). Das JGI arbeitet gerade auch am Genom des Eucalyptus grandis, dessen Entwurfsversion 2010 veröffentlicht wurde. Auch die Sequenzierung der amerikanischen Kastanie hat kürzlich begonnen. 

Die Genomsequenzen der ökonomisch wichtigen Baumarten tragen nicht nur zum besseren Verständnis der Genfunktionen und der Artenvielfalt bei, sondern dienen auch als Referenzgenome für zukünftige Sequenzierprojekte tausender Arten ökonomisch weniger bedeutsamer Arten, die aber von hohem ökologischem Wert sind. 

Transkriptomanalyse in Bäumen

Eine Genomsequenz nützt wenig, wenn sie nicht in Genfunktionen „übersetzt“ werden kann. Daher sind Wissenschaftler vor allem auch an den Informationen, die in den Genen codiert sind – dem sog. Transkriptom – interessiert. Bei den Waldbäumen stehen die Forscher jedoch noch ganz am Anfang ihrer Untersuchungen. Für Genexpressionsstudien bei Bäumen benötigt man vor allem viel Zeit und Ressourcen, um die langlebigen Pflanzen in verschiedenen Entwicklungsstadien und unter unterschiedlichen ökologischen Bedingungen zu untersuchen.

Die technischen Herausforderungen, die grundsätzlich bei allen Transkriptomanalysen überwunden werden müssen, potenzieren sich bei den Waldbäumen mit großen Genomen und unvollständigen Referenzsequenzen. Von den aktuell aufkommenden RNA-Sequenzierungstechnologien versprechen sich Wissenschaftler breitere und tiefere Einblicke in die Genexpression von Bäumen.

Vererbung komplexer Eigenschaften und Züchtung

Bisher sind nur wenige Eigenschaften von Bäumen bekannt, die in einem einzigen Gen codiert vorliegen. Eines davon ist zum Beispiel das Hauptresistenzgen gegen den sog. Strobenrost (Cronartium ribicola), einem Krankheitserreger aus der Klasse der Rostpilze, der Anschwellungen, Harzfluss und orangegelben Bewuchs an fünfnadeligen Kiefern hervorruft.

Die große Mehrheit der ökologisch und ökonomisch wichtigen Eigenschaften von Waldbäumen ist komplex und wird von einer Vielzahl von Genen gesteuert, was die Züchtung von Waldbäumen, neben der langen Wachstumsphasen, besonders erschwert. Da Waldbäume eine sehr lange Lebensdauer aufweisen, liegt den Züchtern daran, sie gegen unvorhersehbare Belastungen und Umwelteinflüsse zu rüsten. Aus ökonomischer Sicht sind für Wissenschaftler und Züchter bei Waldbäumen vor allem Wachstums- und Ernteeigenschaften, Holzbeschaffenheit, Resistenz gegenüber Krankheiten und Insekten und Resistenz oder Toleranz gegenüber abiotischem Stress interessant. 

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Forschung steckt noch in den Kinderschuhen

Die Kultivierung von Feldfrüchten begann vor mehr als 10.000 Jahren. Die ersten Waldbäume hingegen wurden erst vor etwa 100 Jahren gezüchtet. Bedenkt man die lange Generationszeit der meisten Waldbäume, wundert es wenig, dass deren Kultivierung erst für eine handvoll Arten fortgeschritten ist. Die fortschrittlichsten Zuchtprogramme, wie die Pinienzüchtung im Süden der USA, befinden sich gerade erst im dritten Zyklus der Züchtung und Testung. Diesen Stand können Züchter von Feldfrüchten innerhalb eines Jahres erreichen.

So konzentriert sich ein Teil der Forschung auch auf die Verkürzung der Züchtungszeit und die Effektivität der Auslese. 

Züchtungszyklus verkürzen

Ein Züchtungszyklus kann durch zwei Vorgehensweisen verkürzt werden. Erstens, wenn die Zeitspanne bis zur Geschlechtsreife des Baumes früher als natürlich herbeigeführt wird. Dies geschieht, indem der Baum beispielsweise künstlich durch die Injektion von bestimmten Hormonen oder durch genetische Veränderungen vorzeitig zum Blühen veranlasst wird. Zweitens kann der Züchtungszyklus verkürzt werden, wenn das gewünschte Merkmal früher untersucht werden kann. So können die Baumzüchter beispielsweise durch vorher erarbeitete Korrelationen von der Größe eines einjährigen Baumes auf dessen Erntevolumen schließen. 

Technischer Fortschritt treibt Baumgenomforschung voran

Die weit reichenden technologischen Fortschritte in allen „-omics“-Forschungsbereichen werden auch der Wissenschaft der Waldbiologie zugute kommen. Gerade im Hinblick auf den Klimawandel brauchen Forscher und Züchter fundierte biologische Informationen, um die für die biologische Artenvielfalt so wichtigen Waldbäume zu verstehen und zu schützen und sie als Energie-, Baustoff- und Nahrungsquelle für den Menschen zu sichern.