Hartweizen-Genom entschlüsselt

„Pasta e basta“ – diese Zeiten gehören der Vergangenheit an. Mit Bekanntwerden der Genomsequenz des Hartweizens stehen Züchtern neue Möglichkeiten offen, den Hartweizen zu optimieren. So haben Forscher nun einen Weg gefunden, die Cadmium-Anreicherung zu drosseln.

Hartweizen (Triticum turgidum L. ssp. durum) – der Stoff, aus dem Pastaträume sind – könnte bald züchterisch noch verbessert werden. Die Grundlage dafür schufen über 60 Forschende vom Helmholtz Zentrum München, Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben sowie aus Italien und Kanada.

Erste Eingriffe des Menschen bereits vor 10.000 Jahren

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Bereits vor etwa 10.000 Jahren begann die züchterische Selektion des heutigen Hartweizens aus dem wilden Emmer (Triticum dicoccoides). Erste Beweise für die Existenz von Hartweizen reichen 6.500-7.500 Jahre zurück, doch erst vor 1.500 bis 2.000 Jahren hat sich die Pflanze zu einer wichtigen Nahrungspflanze etabliert.

Komplexes Genom des Hartweizens vollständig entschlüsselt

Nun haben Wissenschaftler das Genom dieser bedeutenden Kulturpflanze vollständig sequenziert. Kein leichtes Unterfangen: Hartweizen enthält etwa dreimal mehr Gene (66.559) als der Mensch (ca. 20.000). Doch nicht nur die große Anzahl der Gene verkompliziert die Sequenzierung, auch die Beschaffenheit der Gensequenzen ist ein Problem. Das Genom des Hartweizens besteht zu 80 Prozent aus sich wiederholenden Elementen, sogenannten Repeats.

Aus technischen Gründen können längere Genomsequenzen nicht am Stück „ausgelesen“ werden. Sie müssen in kleinere Abschnitte unterteilt werden. Nach dem Auslesen der Basensequenz müssen diese Teilstücke wieder in die richtige Reihenfolge gebracht werden, um die gesamte Genomsequenz zu erhalten. Das ist bei zahlreichen Sequenzwiederholungen besonders schwierig.

Eliminierte Gene rekonstruiert

Das Team verglich die Hartweizensequenz mit seinem wilden Verwandten und identifizierte Gene, die der Mensch im Laufe der Jahrhunderte ausgewählt hat. Die Wissenschaftler entdeckten außerdem einen Verlust an genomischer Vielfalt bei Hartweizen im Vergleich zu seinem wilden Verwandten. Sie kartieren die Verlustgebiete und rekonstruierten die während der jahrhundertelangen Zucht verloren gegangenen nützlichen Gene wieder.

Wilde Verwandte moderner Kulturpflanzen können als Quelle wertvoller genetischer Vielfalt für verschiedene Merkmale dienen, z. B. Krankheitsresistenz und Nährstoffqualität. Vergleichende Genom-Analysen zwischen Kulturpflanzen und wilden Vorfahren sind eine Schlüsselstrategie, um neue nützliche Allele zu entdecken. Sie helfen außerdem, die weitreichenden genetischen Folgen der Evolution und Selektionsgeschichte zu verstehen.

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Problematisch: Cadmium-Anreicherung im Hartweizen

Dank der entschlüsselten Genomsequenz fanden die Forscher das Gen, das für die Anreicherung von Cadmium im Hartweizen verantwortlich ist. Für den Menschen stellt die Aufnahme von Cadmium, einem giftigen Metall, das sich in Getreide anlagert, ein Gesundheitsrisiko dar. Zu hohe Cadmium-Spiegel können zu Krebs und Nierenerkrankungen führen. „Der Mechanismus, der für die hohe Cadmiumakkumulation in kanadischen Hartweizensorten verantwortlich ist, war bisher schwer fassbar“, sagt Co-Autor Neil Harris.

Mutation verhindert Transport von Cadmium in die Ähren

Cadmium kommt natürlicherweise im Boden vor und wird über die Wurzeln von den Pflanzen aufgenommen. Das Gen mit dem Namen TdHMA3-B1 produziert ein metalltransportierendes Protein, das Cadmium in den Wurzeln speichert und seinen Transport bis zu den Trieben und dem Korn verhindert. „Wir haben eine Mutation in TdHMA3-B1 entdeckt, die die Funktion des Transportproteins stört. Hartweizensorten mit dem nicht-funktionalen TdHMA3-B1 können den Cadmiumtransport nicht einschränken“, erklärt Harris. So gelangt das toxische Metall gelangt dann ins Korn.

Lebensmittelsicherheit für Pasta-Liebhaber verbessert

Die Entdeckung hat bereits weitreichende Folgen für den Hartweizenanbau in Kanada, dem Hauptexporteur des „Pasta-Getreides“. Harris berichtet: „Wir testen nun alle kanadischen Hartweizen-Zuchtlinien mit Hilfe eines Markers auf diese Mutation hin. So können wir die Cadmium-Aufnahme der Pflanzen rasch reduzieren.“ Das Ergebnis dieser Maßnahme kann sich sehen lassen. Der kanadische Hartweizen akkumuliert dank der Forschungsergebnisse zwei- bis dreimal weniger Cadmium und erhöht so die Qualität und Sicherheit von Pasta, Couscous und Bulgur.