Dem edlen Tropfen auf der Spur

Lange scheiterten Wissenschaftler an der Sequenzierung des komplexen Cabernet Sauvignon- Genoms. Nun gelang es ihnen das Erbgut dieses Weins zu entschlüsseln. Sie nutzten hierfür eine neue Analyse-Technologie.

Die wohlschmeckende Rebsorte Cabernet Sauvignon ist mit fast 300.000 Hektar Anbaufläche eine der am weitesten verbreiteten Sorten der Welt. Beheimatet in der Region um Bordeaux, dem Bordelaise, trat sie von dort aus ihren Siegeszug in die ganze Welt an. Schädlinge und Klimawandel machen Winzern allerdings zunehmend zu schaffen. Züchter weltweit suchen daher seit langem nach Rebsorten, die den veränderten Klimabedingungen trotzen. Voraussetzung hierfür sind Fortschritte bei der Sequenzierung komplexer Genome.

Komplexer Wein

Im Gegensatz zu der Weinrebe (Vitis vinifera), deren Genom bereits 2007 als erste landwirtschaftlich genutzte Obstpflanze überhaupt entschlüsselt wurde, ist das Erbgut der Cabernet Sauvignon-Rebe deutlich komplizierter aufgebaut. Cabernet Sauvignon ist eine Zufallskreuzung aus Cabernet Franc und Sauvignon Blanc. Wie alle wirtschaftlich relevanten Rebsorten verfügt Cabernet-Sauvignon über ein diploides Genom. Dessen Heterozygotie (Mischerbirgkeit) schafft eine Komplexität des Genoms, welche dessen Sequenzierung bisher verhinderte.

Tests an Ackerschmalwand und Becherkoralle

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Um dem Genom trotzdem näher zu kommen, nutzen Forscher den quelloffenen FALCON-Unzip-Algorithmus. Dieser sogenannte Assembler war in der Lage, langkettige Segmente der DNA virtuell mit hoher Präzision zusammenzufügen. Besonders ist, dass der Assembler die Tatsache berücksichtigt, dass das diploide Erbgut hochgradig heterozygot war. Die haplotyp-spezifische Assemblierung des Genoms ermöglicht exakte Studien zur Struktur von Haplotypen, zur Variation einzelner Basenpaare (single nucleotide polymorphisms - SNPs), also von Punktmutationen, und weiterer struktureller Veränderungen der Erbsubstanz, wie kleine Einschübe oder die Löschung von Basenpaaren (Insertionen und Deletionen - InDels) homologer Chromosomen.

Die Wissenschaftler erhielten auf diese Weise sehr genaue und zusammenhängende Abschnitte. Mit bisher verwendeten Verfahren konnten Forscher 12,8 Millionen Einzelteile mit einer Durchschnittslänge von 1.000 Nukleotiden erhalten. Der neue Algorithmus produziert hingegen nur 718 zusammenhängende Abschnitte mit durchschnittlich 2,1 Millionen Nukleotiden. Die Fehlerquote konnte durch statistische Verfahren deutlich reduziert werden. Von 10 bis 15 Prozent konnte diese auf durchschnittlich 0,01 bis 0,001 Prozent reduziert werden.

Um einen besseren Eindruck von der generellen Anwendbarkeit der Methode für diploide und hochgradig heterozygote Organismen zu erhalten, überprüften die Wissenschaftler diese zusätzlich an der Modellpflanzen Arabidopsis thaliana und einer Pilzart, der Becherkoralle (Clavicorona pyxidata). Durch ihren Modellcharakter liegt für Arabidopsis eine der qualitativ hochwertigsten Seqeuenzinformationen vor. Auch hier erwies sich die Methode, in Bezug auf die Länge der Abschnitte, als besser im Vergleich zu anderen Ansätzen.

In allen drei Fällen, Wein, Arabidopsis und Becherkoralle, ermöglichte die FALCON-Unzip Assemblierung mindestens zwei bis dreimal längeren Contigs (abgleitet vom englischen Wort contiguous = angrenzend). Als Contigs werden überlappende DNA-Stücken der von Sequenziermaschinen gelesenen DNA-Informationen bezeichnet. Im Vergleich zu den weitverbreiteten „Next Generation“-Sequenziermaschinen, die typischerweise nur relativ kleine DNA Bruchstücke lesen können und diese anschließend digital zusammenführen (assemblieren) können, erhöhten sich diese Lesemuster sogar um das 30- bis 100-fache. Je länger ein Lesestück ist, desto geringer ist die Fehlerquote, die DNA-Informationen an einem falschen Ort im computerlesbaren Genom einzufügen. Die überlappenden DNA-Enden sind die Ankerpunkte, um die sequenzierten Bruchstücke am Rechner zusammenzufügen.

Hoffen auf resistente Rebsorten

Die neue Methode liefert qualitativ hochwertige genetische Informationen, welche die Entwicklung neuer, krankheitsresistenter Rebsorten beschleunigen wird. Pflanzen, die besser mit den veränderten Umweltveränderungen zurechtkommen und trotzdem hochwertigen Wein liefern, sind das Ziel der Weinzüchtung weltweit. Einen Grundstein dafür haben die Forscher gelegt. Mit der vorgestellten Studie haben sie einen „proof of concept“, einen Machbarkeitsnachweis, für die neue Methode vorgelegt.