Weizengenom vollständig entschlüsselt

Es hieß, es sei unmöglich. Doch nun ist es vollbracht: Das Weizengenom ist nach 13 Jahren (nahezu) vollständig sequenziert. Warum war das so schwierig? Und was nützt die Genomsequenz Wissenschaftlern, Züchtern, Landwirten und Verbrauchern?

„Die vollständige Sequenzierung des Genoms von Brotweizen wurde lange Zeit für unmöglich gehalten, da es enorm groß und komplex ist“, so Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomik Genetischer Ressourcen am IPK in Gatersleben. In der Tat: Das Weizengenom ist riesig - mehr als fünfmal größer als das menschliche Genom. Es besteht aus 21 Chromosomen, die von drei sehr ähnlichen Subgenomen (A, B und D) stammen. Selbst jedes der Subgenome ist größer als das menschliche Genom und enthält je 7 Chromosomen. Außerdem besteht das Weizengenom zu über 80 Prozent aus sich wiederholenden Sequenzabschnitten, die wiederum – ähnlich einer russischen Matrjoschka Puppe – in langen Elementen ineinander verschachtelt sind.  

Genom kann nicht als Ganzes gelesen werden

Das wäre alles nicht so problematisch, wenn eine Sequenzier-Maschine ein Genom einfach am Stück lesen könnte. Das ist aber aus technischen Gründen bisher nicht möglich. Sequenzier-Maschinen liefern lediglich kleinere Teilabschnitte der Genomsequenz, die im Anschluss in der richtigen Reihenfolge zusammengefügt werden müssen. Bei besonders großen und verschachtelten Sequenzen, die zudem noch zahlreiche Wiederholungen enthalten, ist das ein besonders schwieriges Unterfangen.

Internationaler Kraftakt vollbracht

Trotz all der Widrigkeiten haben sich 73 Forschungsinstitute und Unternehmen weltweit unter dem Dach des International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) zusammengeschlossen und in 13 Jahre langer Arbeit eine qualitativ hochwertige Referenz-Genomsequenz des Weizens geschaffen. Eine Referenzsequenz nennt man die vollständige DNA-Sequenzinformation eines Repräsentanten einer Art. In diesem Fall nutzten die Forscher Triticum aestivum cv Chinese Spring. Die Forscher sequenzierten jedes der 21 Chromosomen des Weizengenoms einzeln mit Hilfe von bakteriellen artifiziellen Chromosomen (BACs). Spezielle Algorithmen brachten die durchschnittlich 150 Basen langen Fragmente anschließend in die richtige Reihenfolge.

Genaue Genorte und molekulare Marker

Die publizierte Referenz-Sequenz beinhaltet 107.891 Gene in ihrer linearen Abfolge auf den Chromosomen (zum Vergleich: Beim Menschen sind aktuell 20.376 Gene bekannt). Damit sind 94 Prozent des Weizengenoms entschlüsselt. Neben den genauen Genorten enthält die Sequenz 4,7 Millionen molekulare Marker, auf deren Basis Wissenschaftler und Züchter verbesserte Weizensorten entwickeln können.

Auch nicht-kodierende Sequenzen bekannt

Doch nicht nur die zahlreichen Marker und die genaue Position der Gene machen diese Sequenz zu einer besonders hochwertigen Genomsequenz für Züchter und Forscher. Das Sequenzierteam hat sich auch den Bereichen zwischen den Genen angenommen, die bis vor einigen Jahren noch als „Genschrott“ angesehen wurden. Heute geht man davon aus, dass diese nicht-kodierenden Bereiche – die immerhin 80 Prozent des Weizengenoms ausmachen – steuern, wann und wie ein Gen abgelesen und in ein Protein umgeschrieben wird.  

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Züchtung neuer Weizensorten erleichtern

Mit ihrer Arbeit wollen die Wissenschaftler die Züchtung neuer Weizensorten erleichtern, die besser an klimatische Herausforderungen angepasst sind, höhere und vor allem stabilere Erträge liefern sowie höhere Nährstoffqualitäten aufweisen. Zudem sollen der Anbau und die Verwertung des Weizens nachhaltiger werden. Denn Weizen ist und bleibt eine Schlüsselpflanze für die weltweite Ernährungssicherung: Er ist das Grundnahrungsmittel von mehr als einem Drittel der Weltbevölkerung und liefert fast 20 Prozent der Kohlenhydrate und Eiweiße in unserer Nahrung – mehr als jedes andere Nahrungsmittel.

Landwirtschaftlich genutzte Linien im Visier

Die nun vollständig sequenzierte Weizensorte ‚Chinese Spring‘ wurde bisher weltweit vor allem in der Grundlagenforschung genutzt. Daher widmen sich die Forscher auch den landwirtschaftlich genutzten Linien. Im vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Projekt WHEATSEQ arbeiten Münchner Forscher des Helmholtz Zentrums und ihre Gaterslebener Kollegen am IPK an der Sequenzierung der Weizensorte ‚Julius‘. Die Ergebnisse werden eine gezieltere Züchtung des Brotweizens ermöglichen.

Die Nahrungssicherheit für eine prognostizierte Weltbevölkerung von 9,6 Milliarden Menschen im Jahr 2050 ist von solchen Projekten abhängig. Denn die Weizenerträge müssen von nun an jährlich um 1,6 Prozent steigen, um dieses Ziel zu erreichen. Um die Artenvielfalt sowie die Wasser- und Nährstoffressourcen auf unserer Erde nicht zu gefährden, muss der Großteil des Ertragsanstiegs durch verbesserte Sorten auf den vorhandenen Anbauflächen erzielt werden. Neue Flächen für den Anbau zu verbrauchen, wäre aus Umweltgesichtspunkten höchst kontraproduktiv.

Bisher betrug die Zeitspanne zwischen dem Aufspüren eines agronomisch wichtigen Gens und der Kommerzialisierung einer neuen Sorte ca. 12 bis 15 Jahre. Mit Hilfe der neuen Referenz-Sequenz könnte dieser Prozess in Zukunft nur noch 3 bis 5 Jahre in Anspruch nehmen.