Schneller zum Wunschgen

Lokalisierung von Genloci in kurzer Zeit

24.03.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Das neue Verfahren bietet u. a. die Möglichkeit, natürliche Resistenzgene besser zu erforschen und den Anbau somit umweltfreundlicher zu machen. (Bildquelle: © Blonder1984/ wikimedia.org/ CC0)
Das neue Verfahren bietet u. a. die Möglichkeit, natürliche Resistenzgene besser zu erforschen und den Anbau somit umweltfreundlicher zu machen. (Bildquelle: © Blonder1984/ wikimedia.org/ CC0)

Forscher der Uni Bielefeld zeigen, dass es möglich ist, ausgehend vom Phänotyp zügig zum verantwortlichen Gen zu gelangen. Eine Weiterentwicklung bestehender Methoden der Genomforschung, die vor allem Praktikern wie Züchtern entgegenkommen dürfte.

Sequenziermethoden der nächsten Generation – „ Next Generation Sequencing“ (NGS) – sind aus der Forschung nicht mehr wegzudenken. Sie basieren auf der Idee, Millionen DNA-Fragmente parallel, schnell und günstig zu analysieren. NGS-Methoden haben das gesamte Feld der Pflanzen- und Humangenetik in den vergangenen Jahren verändert. Wie eine aktuelle Studie aus Deutschland zeigt, ist die Entwicklung keineswegs abgeschlossen.

Forschern der Uni Bielefeld ist es gelungen, eine Methode zur Genidentifizierung bei Zuckerrüben (Beta vulgaris) weiterzuentwickeln. Zusammengefasst handelt es sich um eine Kombination aus Next Generation Sequencing und der Bulk-Segregant-Analysis.

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Im Test ging es um die Frage, wo das für die Hypokotylfärbung verantwortliche Gen liegt.

Im Test ging es um die Frage, wo das für die Hypokotylfärbung verantwortliche Gen liegt.

Quelle: © BMC Genomics/ CC BY 4.0

Die neue Methode, die das Team von Prof. Dr.  Bernd Weisshaar erfolgreich getestet hat, ermöglicht es, ausgehend vom Phänotyp den Ort des genetischen Ursprungs (Genlocus) binnen weniger Wochen zu identifizieren. Zu den Vorteilen des Verfahrens zählen neben der Zeitersparnis durch das Vermeiden von u. a. langwierigen Kreuzungen und Rückkreuzungen die Unabhängigkeit von Vorwissen über die gesuchten Gene und Genomabschnitte, welche für den untersuchten Phänotyp verantwortlich sind.

Der Beweis ist erbracht

Im Test ging es um die Frage nach dem Ort der Veränderung im Erbgut (Mutation), die für die fehlende Rotfärbung des unteren Sprossabschnitts, dem Hypokotyl der Zuckerrüben verantwortlich ist. Die genetischen Zusammenhänge des Phänotyps "Farbe des Hypokotyls" sind kürzlich aufgeklärt worden und boten sich deshalb für die Überprüfung der neuen Methode an. Wie die Ergebnisse zeigten, führte der Weg der Bielefelder Forscher mit großer Genauigkeit zu einem Genabschnitt, innerhalb dessen die gesuchte Mutation tatsächlich lag.

Ansatzpunkt für weitere Forschung

Für die Zukunft heißt das, dass es möglich sein wird, relativ zügig von einem bestimmten Phänotyp zum entsprechenden Genlocus und damit zu einer überschaubaren Zahl von Kandidatengenen zu gelangen, ohne sich monatelang mit der Züchtung und Sequenzierung mehrerer Generationen aufhalten zu müssen. Im Testlauf waren dies drei Kandidatengene, die auf einem 31.435 Basenpaare langen Abschnitt lagen. Hätten Forscherkollegen die kausale Mutation nicht bereits lokalisiert, hätten sie mit ihren Genfunktionsanalysen genau an diesen Genen ansetzen können.

Doch wie kamen die Forscher zu diesem Ergebnis? Wie gelang es ihnen, die Nadel im Heuhaufen zu finden und aus den vielen Hundertmillionen Basenpaaren (Megabasenpaare) im Zuckerrübengenom den entscheidenden Bereich herauszufischen? Die Antwort lautet: Durch den direkten Vergleich einer Vielzahl von Zuckerrübenlinien, die sich im entscheidenden Merkmal klar voneinander unterschieden.

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Weil die Zuckerrübe nicht zu den klassischen Modellsystemen zählt, sind nützliche Werkzeuge nicht in gleichem Ausmaß vorhanden. Es handelt sich bei der Arbeit der Forscher daher um eine wichtige Bereicherung für die Forschung.

Weil die Zuckerrübe nicht zu den klassischen Modellsystemen zählt, sind nützliche Werkzeuge nicht in gleichem Ausmaß vorhanden. Es handelt sich bei der Arbeit der Forscher daher um eine wichtige Bereicherung für die Forschung.

Quelle: © USDA/ wikimedia.org/ CC0

360 Zuckerrübenlinien im Vergleich

Im vorliegenden Fall sequenzierten die Forscher also 360 Zuckerrübenlinien, von denen jeweils 180 ein rotes bzw. grünes Hypokotyl besaßen. Wesentlich war, dass die Linien nicht einzeln, sondern als zwei Pools (oder "Bulks") analysiert wurden, die jeweils ein Gemisch der DNA von Linien mit den beiden gegensätzlichen Sprossfarben (rot bzw. nicht rot) darstellten. Im Zuge von insgesamt fünf Hauptschritten, die u. a. aus mehreren Teilschritten bestanden, kristallisierte sich nach und nach jener 31 Kilobasenpaare lange Abschnitt heraus.

Je größer die Basis desto besser

Ob sich das Verfahren langfristig durchsetzen wird, wird jedoch nicht von der Schnelligkeit oder Einfachheit abhängen, sondern von der Verlässlichkeit der gewonnenen Informationen. Wie der Test zeigte, setzt dies das Vorhandensein von geeignetem Ausgangsmaterial in ausreichender Menge voraus. Reduzierten die Forscher z.B. die Zahl der Vergleichspartner von 360 (2x180) auf 120 (2x60) Linien, vergrößerte sich das Genintervall, in dem die verantwortliche Mutation verortet wurde von 31 Kilobasenpaare um mehr als das Zehnfache auf 360 Kilobasenpaare.

Eine weitere Einschränkung liegt in der Vererbung des untersuchten Merkmals. Wie bei der Hypokotylfarbe ist das Verfahren bisher nur in der Lage, reinerbige (homozygote) Merkmale zu untersuchen. Eine Einschränkung, mit der sich laut Studie leben ließe, da in der Pflanzenzüchtung häufig mit reinerbigen Linien gearbeitet wird. Trotzdem überlegen die Forscher, ob und wie präzise Aussagen auch bei Heterozygotie getroffen werden können, um den Anwendungsspektrum zu vergrößern.

Von Interesse sind aber auch weitere Merkmale, wie Weisshaar erklärt. An erster Stelle steht dabei u.a. die Lokalisierung von Resistenzgenen. Ein Ziel, das letztlich auch der Umwelt zugutekommen würde, wenn sich durch die gezielte Erhöhung natürlicher Resistenzen der Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel reduzieren ließe.

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