Exomsequenzierung von Gerste

Gerste gilt als Ausnahme-Anpassungskünstler unter den Getreiden. Zwischen dem nördlichen und südlichen Polarkreis wächst das Getreide in nahezu allen Regionen der Erde. Welche Allele diese besondere Fähigkeit mit beeinflussen, haben Forscher in einer aktuellen Sequenzierungsstudie zeigen können. Die Studie liefert wertvolle Informationen für Züchter, die in ihren Zuchtprogrammen gezielt auf bestimmte Eigenschaften zurückgreifen möchten.

Eine der größten Herausforderungen der Menschheit wird es sein, in den kommenden Jahrzehnten genügend Nahrung für die rasant wachsende Weltbevölkerung zu produzieren. Je mehr Menschen die Erde besiedeln, desto weniger Raum bleibt für den Anbau von Nahrungspflanzen; auch die Wasserressourcen werden mit zunehmenden Bevölkerungszahlen immer knapper werden. Schon heute ist klar: Die aktuelle Produktivität und die Verfahren, mit denen wir unserer Nahrungspflanzen anbauen, reichen nicht aus, um im Jahr 2050 die erwarteten 10 Milliarden Menschen auf der Erde zu ernähren.

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Züchter müssen Klimawandel berücksichtigen

Weltweit arbeiten zahlreiche wissenschaftliche Forschungsgruppen daran, die Erträge wichtiger Nutzpflanzen nachhaltig zu steigern. Dabei müssen sie auch klimatische Veränderungen berücksichtigen, die im Laufe der nächsten Jahrzehnte in vielen Regionen der Erde auftreten könnten. Klimaforscher sagen vorher, dass die Wetterverhältnisse in viele Regionen der Erde extremer werden: Starke Regenfälle wechseln sich mit ausgeprägter Trockenheit, extremer Hitze oder Kälte ab. Die Pflanzenforschung wird daher für mehr und mehr Regierungen zu einem strategischen Forschungsfeld.

Natürliche, genetische Varianten wichtig für Ertragssteigerung

Natürliche, genetische Varianten spielen bei der Ertragssteigerung sowie bei der Resistenzerhöhung von Nutzpflanzen eine wichtige Rolle. Wissenschaftler arbeiten daher daran, Mechanismen zu finden und zu verstehen, mit denen sich Nahrungspflanzen an verschiedene regionale, teilweise widrige Umweltbedingungen anpassen konnten. Ziel ist es, Nahrungspflanzen zu züchten, die auch unter extremen klimatischen Bedingungen ausreichende Erträge für alle Menschen auf der Erde liefern.

Gerste als Anpassungskünstler

Ein wahrer Anpassungskünstler unter dem Nutzpflanzen ist die Gerste (Hordeum vulgare). Sie ist eine sehr alte Kulturpflanze, die heute den 4. Platz unter den wichtigsten Getreidepflanzen weltweit einnimmt. Seit Beginn ihrer Kultivierung im fruchtbaren Halbmond im Nahen Osten vor etwa 10.000 Jahren wird das Getreide nahezu weltweit angebaut. In manchen Regionen gilt die Gerste sogar als „letzte Nahrungspflanze vor der Wüste“, was ihre ausgeprägte Anpassungsfähigkeit veranschaulicht. Das Getreide wächst vom nördlichen Polarkreis über das äquatoriale Hochland bis hin zu südlichen Breitengraden. Doch welche genetischen Veränderungen haben die Gerste dazu befähigt, in so unterschiedlichen Regionen ertragreich zu wachsen?

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Dieser Frage sind Wissenschaftler um Nils Stein vom IPK Gatersleben in einer aktuellen Studie nachgegangen. Dazu haben die Forscher die Exome, also alle codierenden Gensequenzen, von 267 lokal unterschiedlichen Landrassen und wilden Vorfahren sequenziert.

Bestimmte Allele der Gerste variieren je nach Standort

Die Gensequenzanalyse der Wissenschaftler zeigte: Je nach Ursprungsort der Gerste und den dort vorherrschenden klimatischen Verhältnissen variierten bestimmte Allele der Pflanzen in einem komplexen Muster. Gewöhnliche Gartenexperimente zeigten den Forschern einen Zusammenhang zwischen der Zeit bis zur Blüte und der Wuchshöhe der Gerste mit saisonalen Schwankungen von Tageslänge, Temperatur und Trockenheit. „Pflanzt man dieselben Pflanzen in unterschiedlichen Regionen der Erde an, kann man Aufschluss darüber bekommen, welche Loci im Genom diese Merkmale kontrollieren“, erklärt Nils Stein das Vorgehen.

Geographische Anpassung der Blühzeitpunkt-Gene

Auch die Gene, die am Blühvorgang der Gerste beteiligt sind, betrachteten die Wissenschaftler genauer. Diese Gene sind in der Lage, den Blühzeitpunkt der Pflanze zu bestimmen und die Dauer der Blüte zu beeinflussen. „Bei einigen Genen konnten wir ganz klar sehen, dass ein bestimmter Haplotyp ab einem bestimmten Breitengrad überrepräsentiert war“, so Stein. Es hat also eine geographische Anpassung der Blühzeitpunkt-Gene stattgefunden.

Ergebnisse wichtig für Züchter

Doch trotz der entdeckten Zusammenhänge wissen die Forscher: Es sind vermutlich noch viele weitere Faktoren an der Umformung der Allele im Gerstengenom beteiligt. Von großem Nutzen sind die Forschungsergebnisse heute schon: “Unsere Erkenntnisse sind für die Grundlagenforschung, aber auch für die weltweite Gerstenzüchtung relevant”, erklärt Nils Stein. „Wir wissen nun, welche Allele sich in der Vergangenheit bei der Breitengradanpassung durchgesetzt haben.“ Das hat auch Auswirkungen auf die Nachbarregionen im Genom.

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Rückkreuzung durch Rekombination nicht an jedem Genort möglich

Bei der Züchtung werden zwei Genotypen miteinander gekreuzt, also das gesamte Genom gemischt. Doch um später die beste Kombination verschiedener Allele an bestimmten Genorten zu erzielen, müssen Züchter die Pflanzen wieder rückkreuzen, um über Rekombination bestimmte Bereiche eines Elternteils wieder zu entfernen, weil sie für einen bestimmten Standort möglicherweise unvorteilhaft sind.

„Das ist nicht an jedem Genort so einfach möglich“, so Stein. Denn die nachbarschaftliche Genregion lässt sich nicht immer durch Rekombination wie gewünscht austauschen. „Hier ist es elementar zu wissen, in welchem genetischen Hintergrund eine bestimmte Allelausprägung vorkommt, wenn man ein Züchtungsprogramm beginnt“, so Stein weiter. Nur so kann ein Züchter entscheiden, mit welchen Haplotypen seines Zuchtprogramms die einzukreuzenden Pflanzen ideal kombinierbar sind, um am Ende das gewünschte Zuchtziel zu erreichen.

Ergebnisse auch auf andere Getreide übertragbar

Bei Weizen gehen die Forscher von ähnlichen Anpassungsprozessen aus. Betreffende Allele könnten auf Basis der in Gerste gefundenen, standortabhängig veränderten Allele gefunden werden. Mit ihrer Arbeit haben die Wissenschaftler grundlegende Informationen für die zielgerichtete Züchtung von widerstandsfähigem und ertragreichem Getreide geliefert.