Von den Altvorderen lernen

Von allen Weizenarten ist der Weichweizen, auch Brotweizen genannt, der wirtschaftlich wichtigste. Nun wurde das Erbgut seines Vorfahrens entschlüsselt, Aegilops tauschii. Die Idee ist, das Wissen über sein Genom in die Weizenforschung und -zucht einfließen zu lassen.

Das Erbgut des Weichweizens (Triticum aestivum) zählt zu den komplexesten überhaupt. Es vereint drei Genome (A, B, D), besteht aus sechs Chromosomensätzen aus jeweils sieben Chromosomen und umfasst nach neuen Berechnungen rund 15,3 Milliarden Basenpaare. Die Rede ist von einem „genetischen Monster“. Sich kampflos zu ergeben ist für jene, die an der ersten vollständigen Assemblierung des Ungetüms arbeiten, aber keine Option. Um ihre Kollegen bei dieser Aufgabe zu unterstützen, hat sich eine Gruppe von Wissenschaftlern den Weizenvorfahren Aegilops tauschii (Ziegengras) vorgeknöpft, um parallel dazu sein Erbgut zu entschlüsseln. Kurz vor Jahresende melden beide Seiten Erfolg: Was das Weizengenom betrifft, sind mittlerweile 96 % der Sequenzen bekannt, und auch die Sequenzierung des verwandten Süßgrases hat wie erhofft geklappt.

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Es begann vor rund 8.000 Jahren

Das Wissen über das Erbgut von Aegilops tauschii wird bei der Untersuchung des Weizengenoms deshalb eine Hilfe sein, weil das D-Genom im Erbgut von Weizen von Aegilops tauschii stammt. Die Genome A und B stammen hingegen vom Emmer (Triticum dicoccum). Aus der Paarung des tetraploiden und bereits domestizierten Emmers mit dem diploiden und noch wilden Ziegengras ging vor rund 8.000 Jahren der hexaploide Weizen hervor.

„Das nun vollständig entschlüsselte Genom von Aegilops tauschii dient als Referenz für die Analyse der genomischen Veränderungen im Kulturweizen seit dessen Entstehung“, erklärt Klaus Mayer, Leiter der Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome am Helmholtz-Zentrum München. Insgesamt besteht das Aegilops-Genom aus rund 83.000 Genen.

Genetische Gemeinsamkeiten zwischen Ziegengras und Weizen

Der Sequenzvergleich mit Weizen zeigt, dass das leistungsstarke Getreide einige nützliche Eigenschaften von seinem unscheinbaren Vorfahren geerbt hat. Da sind zum einen mehrere Gene, die für die Produktion von Prolaminen zuständig sind. Dies sind Speicherproteine, die u. a. für die Mehlqualität entscheidend sind und die Backeigenschaft beeinflussen. Zum anderen befinden sich auf mehreren Weizenchromosomen im D-Genom viele Resistenzgene, die die Widerstandskraft des Getreides erhöhen.

Erbgutsatelliten im Genom

Aber auch was die Unhandlichkeit des Genoms betrifft, fällt der Apfel nicht weit vom Stamm. Das Genom des Ziegengrases ist voller Genduplikate. Von den rund 83.000 Genen liegen gerade einmal etwa 5.000 Gene (circa 6 %) in einfacher Ausführung vor. 84 % bestehen hingegen aus sich wiederholenden Fragmenten von Transposonen.

Für Weizenforscher und -züchter dürfte aber interessant sein, dass das Aegilops-Genom eine Vielzahl von Mikrosatelliten besitzt, d.h. nichtcodierende und sich wiederholende DNA-Sequenzen (Short-Tandem-Repeats), die sich als praktische Orientierungshilfe bei der Genomanalyse und Züchtung anbieten.

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Ein Genom im Wandel

„Mit der nun vollständigen Kenntnis des Genoms haben wir detaillierte Einblicke gewonnen und eine erstaunliche Dynamik gefunden, die auf eine beschleunigte Evolution der Art hinweist“, erklärt Sven Twardziok und weist auf eine weitere Besonderheit hin. Im Vergleich zu anderen Süßgräsern und Pflanzenarten verändert sich das Genom von Aegilops tauschii stärker und schneller.

Die Vermutung ist, dass die hohe Zahl der sich wiederholenden Transposonen etwas damit zu tun haben könnte, da sie Rekombinationsfehler begünstigen und so die Zahl der Genduplikate an den Enden der Chromosomen in die Höhe treiben. Welche Kräfte und Mechanismen genau hinter der beschleunigten Evolution stehen, kann aber noch nicht mit Sicherheit gesagt werden.

Die nächste Herausforderung wird nun sein, sich mit den einzelnen Genfunktionen bei Aegilops tauschii zu befassen. Eine Aufgabe, für die die Forscher derzeit noch nach interessierten und motivierten Mitstreitern suchen.