Genom der Gerste sequenziert

Nach 10 Jahren und unter Beteiligung von Wissenschaftlern aus 10 Nationen ist es vollbracht: Das Genom der Gerste ist sequenziert. Mit 5,2 Milliarden Basenpaaren ist es das größte bisher sequenzierte Genom. Mit der nun bekannten Genom-Sequenz lassen sich neue und verbesserte Gerstensorten züchten, die besser an veränderte Umwelt- und Klimabedingungen angepasst und widerstandsfähiger gegenüber Pflanzenkrankheiten sind.

„Hopfen und Malz – Gott erhalt`s!“ Gerste (Hordeum vulgare) verbinden viele Menschen zunächst mit Bier, da durch die Mälzung von gekeimter und getrockneter Gerste einer der Grundstoffe für Bier entsteht. Doch die alte Kulturpflanze nimmt nicht nur wegen ihrer Verwendung bei der Bierherstellung den vierten Platz unter den wichtigsten Getreidepflanzen weltweit ein. Seine Hauptverwendung findet das Getreide mit den haarigen Ähren weltweit in der Tierfütterung.

Gerste nahezu weltweit verbreitet

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Seit Beginn seiner Kultivierung im fruchtbaren Halbmond im Nahen Osten vor etwa 10.000 Jahren wird Gerste nahezu weltweit angebaut. In manchen Regionen wird das Getreide auch als „die letzte Pflanze vor der Wüste“ bezeichnet, was seine extreme Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche klimatische Verhältnisse verdeutlicht. Angebaut wird die Gerste vom nördlichen Polarkreis über das äquatoriale Hochland bis hin zu südlichen Breitengraden. In den letzten 50 Jahren haben sich die Erträge bei Gerste mehr als verdoppelt, wovon ein nicht unerheblicher Anteil genetischen Verbesserungen – also der Züchtung - zuzuordnen ist.

Schwierige Ausgangsbedingungen

Gerste gehört wie Roggen und Weizen zu den Triticeae in der Familie der Süßgräser. Moderne molekularbiologische Züchtungsmethoden zur Verbesserung von Ertrag und Resistenz ließen sich bei diesen Getreidepflanzen bisher allerdings kaum anwenden, da keine vollständige DNA-Sequenz von ausreichend guter Qualität vorlag. Dieser Umstand ist der Komplexität der Getreidegenome geschuldet. Sie sind nicht nur sehr groß, sondern weisen auch unzählige repetitive Sequenzen auf, was das korrekte Zusammenfügen der Genomfragmente bei der Sequenzierung erschwert.

Diese sehr ähnlichen DNA-Abschnitte liegen in der Regel zwischen den Genen und lassen sich nur mit ausgeklügelten bioinformatischen Methoden zu einer korrekten DNA-Sequenz zusammenfügen. Bei der genutzten Methode des Next-Generation-Sequencings wird das Erbgut in kleinere Stücke zerlegt, dann sequenziert und schließlich von Hochleistungsrechnern mit Hilfe von Computerprogrammen wieder zusammengesetzt. Schritt für Schritt entsteht so der gesamte genetische Code.

Ein einfaches Unterfangen war die Sequenzierung des komplexen Gerstengenoms somit nicht. Auch auf Grund seiner Größe. Mit 5,2 Milliarden Basenpaaren ist das Genom der Gerste fast doppelt so groß wie das Genom des Menschen. Mit 39.000 Genen  besitzt es in etwa so viele Gene wie der Mensch.

Zahlreiche Transposons sind im Genom verteilt

Die repetitiven DNA-Sequenzen bestehen vor allen aus sogenannten Transposons. „Das sind mobile genetische Einheiten, die fähig sind, Kopien von sich selbst herzustellen. Transposons werden daher auch als “egoistische DNA“ oder “genomische Parasiten“ bezeichnet“, erklärt Bioinformatiker Thomas Wicker vom Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich.

Transposons lagern sich an mittleren Chromosomenbereichen an

Manche der Transposon-Familien konnten im Laufe der Evolution Tausende Kopien von sich selbst herstellen. Sie machen heute mehr als 80 Prozent des gesamten Gerstengenoms aus. Doch wie kompensiert das Getreidegenom diese übermächtige Menge an parasitärer DNA? Diese Frage untersuchen die Wissenschaftler aktuell. Sie konnten aber bereits zeigen, dass Transposons und Gene unterschiedliche Kompartimente entlang den Chromosomen besetzen. Die Transposons besetzen vor allem die mittleren Bereiche der Chromosomen, während Gene bevorzugt die Enden der Chromosomen bilden. In zukünftigen Forschungsprojekten wollen die Wissenschaftler klären, wodurch diese Verteilung zustande kommt und welche Rolle die Transposons in der Evolution von Gerste spielen.

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Basis: Physikalische Karte mit Sequenzinformationen aus BAC-Klonen

Der Ausgangspunkt für die aktuelle, systematische Genomsequenzierung war eine physikalische Karte, die bereits im Jahr 2012 frei veröffentlicht wurde. Diese Karte hatten die Forscher bereits mit allen ihnen damals zur Verfügung stehenden Sequenzinformationen aufgefüllt. Diese stammten aus der Sequenzierung zufällig verteilter BAC-Klone.

Referenzsequenz sollte ergänzt werden

Die jetzt ermittelte Gensequenz stammt ausschließlich von der malzenden Gerstensorte Morex, die im Frühling ausgesät wird. „Diese Sequenz sollte durch weitere Sequenzen von anderen Gerstenpflanzen mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung ergänzt werden“, schlagen Wissenschaftler in einem Kommentar zur Veröffentlichung vor. Der Grund dafür: Ein einzelner Genotyp einer Pflanzenart enthält nur etwa 85 Prozent aller Gene, die in der gesamten Art vorkommen.

Zusätzlich zur Referenz-Sequenz erstellte das Forschungsteam noch weitere 96 Teilsequenzen von besonders ertragreicher Gerste. Diese Informationen sind vor allem für Gerste-Züchter besonders wertvoll, da sie einen umfassenden Überblick über die genetische Diversität von besonders ertragreichen Sorten aufzeigt.

Mit CRISPR/Cas9 Eigenschaften der Gerste verbessern

Das jetzt bekannte Referenz-Genom der Gerste wird auch die Grundlagenforschung beflügeln. Bisher gab es keine großen Sammlungen an Gersten-Mutanten, weil sich die Gene für bestimmte Eigenschaften aufgrund der fehlenden Genomsequenz nicht zuordnen ließen. Vergleichsanalysen mit Roggen und Weizen werden zudem helfen, die Biologie von Getreide samt der Genom- und Chromosomenevolution besser zu verstehen. Im Kommentar zur Studie prophezeien die Wissenschaftler: „Kombiniert mit der Gen-Editierungsmethode CRISPR/Cas9 bietet die Sequenz des Gerstengenoms eine wertvolle Grundlage, um die Kornqualität und die Resistenz dieser wichtigen Getreidepflanze nachhaltig züchterisch zu verbessern.“ Da die Weltbevölkerung bis zum Jahr 2050 auf 10 Milliarden Menschen anwachsen wird und der Klimawandel immer weiter fortschreitet, sind solche züchterischen Anpassungen dringend nötig.