Wer rettet die Banane?

Forscher haben das Genom der Banane entschlüsselt. Die frei zugänglichen Daten sollen Wissenschaftlern weltweit helfen, die Funktion wichtiger Gene aufzuklären. Ihre Erkenntnisse werden dringend gebraucht, um resistentere Arten zu züchten. Denn die wichtige Nahrungspflanze kämpft weltweit ums Überleben.

Sie ist die beliebteste Frucht in den Industrieländern und ein nahrhafter, süßer Snack für zwischendurch. In vielen tropischen und subtropischen Ländern ist die Banane ein Grundnahrungsmittel und ein wichtiger Wirtschaftsfaktor. Als Dessertbanane oder Kochbanane vertrieben, ernährt sie weltweit (direkt und indirekt) etwa 400 Millionen Menschen. Doch die Bananenproduktion ist in allen Teilen der Welt durch Parasiten und Pilzkrankheiten bedroht. Die Schädlinge haben dabei leichtes Spiel. 

Die Kultivierung der Banane begann vor ca. 7.000 Jahren. Die Menschen kreuzten verschiedene Arten und Unterarten miteinander und selektierten allmählich kernlose, schmackhafte, aber zunehmend unfruchtbare diploide und triploide Arten. Heute stammt jede zweite Banane weltweit vom Genotyp der Cavendish-Banane ab. Diese triploide Art vermehrt sich vegetativ über Klone, so dass die Gene jeder einzelnen Pflanze gleich sind. Schädlinge wie der Bodenpilz Fusarium oxysporum, der die Panama-Krankheit (auch Fusarium Welke genannt) auslöst, oder der Blattpilz Mycosphaerella fijiensi, Verursacher der Black Sigatoka-Krankheit, haben sich an die Pflanze angepasst und drohen sie nun auszurotten. Anders als bei der geschlechtlichen Vermehrung über Samen kommt es bei der vegetativen Vermehrung nicht zu Vermischung des Genpools. Der betroffenen Population fehlt damit die genetische Vielfalt, um sich an veränderte Umweltbedingungen optimal anzupassen. 

#####bildbox1#####

Die Panama-Krankheit beeinträchtigt den Wasser- und Nährstofftransport der Pflanzen und lässt sie verwelken. Black Sigatoka hemmt die Photosynthese, die Blätter sterben ab. Der Energiemangel in der Pflanze verringert dabei die Ernten um bis zu 50%. Um die Produktion vor diesen Schädlingen zu schützen, werden große Plantagen bis zu 50 Mal pro Jahr mit Pestiziden behandelt. Dies verursacht hohe Kosten und gesundheitliche Risiken für die Plantagenarbeiter und auch den Konsumenten. 

Ein Meilenstein für die Züchtung

Wissenschaftler haben das Genom der diploiden Bananeart Musa acuminata (DH-Phahang Banane) entschlüsselt. Musa acuminata ist ein Vorfahre aller heutigen Dessert- und Kochbananen. Ihr Genom steuerte eine der drei Genomkopien der Cavandish-Banane bei. Die Genomsequenz soll nun helfen, die Schlüsselgene für wichtige Merkmale wie der Fruchtqualität und verschiedene Resistenzen zu finden. Damit könnten dann neue resistentere Bananenarten gezüchtet werden.

Das Bananengenom ist komplex. Selbst die Sequenzierung der diploiden Art, bei der die komplette Erbinformation nur in zweifacher, nicht wie etwa bei der Cavandish-Banane in dreifacher Kopie vorliegt, kostete die Forscher zwei Jahre Arbeit. Denn für viele Gene unterscheiden sich die zwei  Kopien. Zwar vermehren sich Bananen über Klone, in ihren Erbanlagen sind jedoch die Gene beider Stammeltern noch teilweise enthalten. 

520 Millionen Basen 

Die Genomsequenz, die aus 520 Millionen Basen besteht, offenbart mehr als 36.500 Gene und ihre jeweilige Position auf den 2 mal 11 Chromosomen. Sie zeigt auch, dass die Banane im Vergleich zu anderen Pflanzen vergleichsweise wenige Resistenzgene hat. Resistenzen besitzt die DH-Pahang-Banane zum Beispiel gegen die Black Sigatoka-Krankheit (geringe Resistenz) sowie gegen den sich seit Kurzem stark verbreitenden Pilz Fusarium oxysporum (starke Resistenz). 

Eine RNA-Sequenzanalyse konnte diverse Transkriptionsfaktoren identifizieren, die knapp 600 verschiedene Gene regulieren. Dies sind deutlich mehr Transkriptionsfaktoren und –gruppen als in anderen Pflanzengenomen.

Wie Bananen reifen

Ein Beispiel für das komplexe Regelnetzwerk aus verschiedenen Transkriptionsfaktoren und Genen ist der Reifeprozess der Bananen. Üblicherweise werden Bananen grün geerntet und dann kurz vor dem Verkauf an die Endverbraucher mit Ethylen behandelt. Dieses Gas lässt die Frucht nachreifen, indem es eine Reihe biochemischer Prozesse einleitet. Auslöser dieser Veränderungen ist eine Signalkette unter Beteiligung mehrerer Transkriptionsfaktoren, die die Genexpression einzelner Gene verstärken bzw. bremsen. Bei der Reifung werden z.B. bestimmte Zellwandenzyme verstärkt produziert, die Stärkeproduktion wird gedrosselt und das Enzym ß-Amylase ausgeschüttet. Dieses Enzym spaltet Stärke in Zucker und ist so für den süßen Geschmack reifer Früchte verantwortlich. 

#####bildbox2#####

Ein Blick in die Evolution

Im Genom der Banane konservierten sich auch spezifische nicht-kodierende Sequenzen (CNSs), die an Transkriptionsfaktoren binden und deren Funktionalität unterstützen. Sie sind eine bisher unterschätzte Ressource der Genregulation. Einige dieser Sequenzen finden sich auch in den Genen anderer einkeimblättriger Pflanzen. So verfügt die Banane über Merkmale, die auch für Süßgräser typisch sind. Diese Gemeinsamkeiten lassen auf die evolutionäre Nähe zwischen Commeliniden, einer Gruppe innerhalb der Einkeimblättrigen zu denen auch die Banane zählt, und Süßgräsern (Poaceae) schließen. Die hoch konservierten CNS lassen zudem Rückschlüsse zu auf das Verwandtschaftsverhältnis zwischen Einkeimblättrigen und Eudikotyledonen, einer Gruppe der Bedecktsamer. Sie schließen damit eine Lücke in bisherigen Studien zur Genom-Evolution der einkeimblättrigen Pflanzen.

Die DNA-Sequenz offenbart, dass die Banane im Laufe ihrer Evolution ihr komplettes Genom dreimal vervielfältigt hat – so entstanden drei Kopien jedes einzelnen Gens. Einmal verdoppelte sie es vor ca. 100 Millionen Jahren, ein weiteres Mal vor etwa 60 Millionen Jahren. Diesen Phasen der Chromosomverdopplung folgten jeweils ein Genverlust und eine Phase der Chromosomenneuordnung. Dies ist eine Ursache, weshalb sich verschiedene Abstammungslinien in ihrer Synthenie heute deutlich unterscheiden. Die Gene, die jeweils erhalten blieben, führten zu neuen biologischen Merkmalen bei verschiedenen Bananenlinien.

Ein großer Tag für die Banane 

Die Banane ist die erste einkeimblättrige Pflanze neben einigen Getreidearten, deren Gene nun entschlüsselt vorliegen. Auf der Basis des Genoms von Musa acuminata wollen die Forscher nun das Genom der bedrohten Cavendish-Banane entschlüsseln und beide Genome miteinander vergleichen. 

Die Forscher hoffen, dass ihre Erkenntnisse bald die Züchtung neuer, besser angepasster Arten und Sorten ermöglichen. Diese sollten nicht nur resistenter gegenüber Schädlingen sein. Sie könnten auch mit weniger Wasser auskommen. Und natürlich dürften diese Eigenschaften nicht auf Kosten des leckeren Geschmacks und der guten Lagerfähigkeit der gelben Früchte gehen. Ein Hindernis bei der Züchtung neuer Arten und Sorten bleibt jedoch die geringe Fruchtbarkeit heutiger Kulturbananen.  

Die Genomsequenz der Musa acuminata ist frei zugänglich unter http://banana-genome.cirad.fr abrufbar.