Karottengenom entschlüsselt

Forscher haben das Genom der Möhre sequenziert. Somit liegt nun eine hochwertige Referenzsequenz vor, die für die Züchtung neuer Sorten genutzt werden kann. Darüber hinaus fanden sie ein Gen, das für den hohen Gehalt an Carotinen verantwortlich sein könnte. Diese sorgen für die Farbe des Gemüses und machen die Wurzel für uns so gesund.

Nicht nur bei Kleintieren wie Hasen stehen Karotten regelmäßig auf dem Speiseplan. Auch wir Menschen haben die gesunde Rübe schon lange für uns entdeckt. Die ersten Belege für domestizierte Karotten fand man in Zentralasien, sie stammen aus einer Zeit vor rund 1100 Jahren. Damals waren die Rüben allerdings lila und gelb.

Buntes Bild der Domestikation

Orange Karotten, wie sie heute am meisten verzehrt werden, tauchten nachweislich erst im 16. Jahrhundert in Europa auf. All die verschiedenfarbigen Karotten stammen von der Wilden Möhre ab, deren Wurzeln hingegen weiß sind.  

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Die Farbenvielfalt verdanken Karotten den hohen Konzentrationen an Pflanzenfarbstoffen. Orange Karotten enthalten viel Alpha- und Beta-Carotin – Pigmente, die zu den Carotinoiden zählen. Diese Farbstoffe verdanken sogar ihren Namen den Karotten, da sie in ihnen entdeckt wurden. Die sekundären Inhaltsstoffe brachten dem Gemüse seinen Ruf ein, besonders gut für die Augen zu sein. Denn viele Carotinoide können im menschlichen Körper in Vitamin A umgewandelt werden - vor allem Beta-Carotin, was daher auch Provitamin A genannt wird.

Vitamin A ist u. a. wichtig für den Sehvorgang. Ein Mangel macht sich als Nachtblindheit oder Sehschwäche bemerkbar und kann bis zur Erblindung führen, was hierzulande zwar kein Problem darstellt, da die Vitaminzufuhr ausreichend ist, in Entwicklungsländern jedoch ein ernsthaftes Problem ist. Vor allem Kinder leiden dort unter den Folgen von unzureichender, einseitiger und vitaminarmer Ernährung.

Ein internationales Forscherteam hat nun einen Blick ins Erbgut (Genom) der Möhre geworfen. Sie wollten auch klären, wie es zu der Anreicherung von Farbstoffen kam, die dem Gemüse seine charakteristische Farbe verleiht.

Genetischer Code wurde geknackt

Den Wissenschaftlern gelang es, das Genom einer orangenen Möhre (Daucus carota) in hoher Qualität zu sequenzieren. Die Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Genetics“. Die Möhre besitzt rund 32.000 Gene, die auf neun Chromosomen verteilt sind. Damit besitzt sie schon einmal mehr Gene als wir Menschen, die mit ca. 20.000 bis 25.000 Genen ausgestattet sind. Rund ein Drittel (10.530 Gene) kommen nur in Möhren vor, schreiben die Forscher.

Da knapp 90 Prozent des Genoms durch die Studie der Forscher abgedeckt wurden, zählt die Sequenz zu den vollständigsten aller bisher vorliegenden Pflanzengenome. Bei allen Genomen bleibt es schwierig, Gene im Bereich der Centromerregionen abzulesen, also der Bereich, an dem die beiden Chromatiden verbunden sind.

Durch einen Genomvergleich mit 35 weiteren Vertretern der Gattung Daucus aus der Familie der Doldenblütler (Apiaceae), die für die Studie auf Basis der Referenzsequenz kostengünstig und einfach resequenziert wurden, konnten die Forscher Einblicke in die Evolution der Möhre und ihrer wertvollen Inhaltsstoffe erhalten.

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Auf den evolutionären Spuren der Karotte

„Jede Kulturpflanze hat eine Geschichte zu erzählen“, sagt Studienleiter Phil Simon. Die Geschichte der Karotte beginnt im Mittleren Osten und Zentralasien. Hier wurde sie zuerst domestiziert, wie die Analysen der Forscher aufzeigen.  

Die Wissenschaftler entdeckten, dass sich das gesamte Genom der Möhre zwischen der Kreidezeit und dem Paläogen – der Zeit, in der ein Massenaussterben der Dinosaurier stattfand – zwei Mal verdoppelte. Einmal vor ca. 43 Millionen und dann noch einmal vor rund 70 Mio. Jahren. Solche Genomduplikationen sind keine Seltenheit, sie kommen in der Evolution von Pflanzen häufig vor (Vgl. z. B. „Kiwi“). Dies hat der Möhre genetische Vorteile verschafft im Vergleich zu ihren diploiden Vorfahren. Die Ereignisse trugen dazu bei, dass sich Genfamilien vergrößern konnten, die beispielsweise in der Abwehr der Pflanzen und bei der Anreicherung von Farbstoffen involviert sind.

Evolutionsbiologisch betrachtet begannen sich die Möhren vor etwa 113 Mio. Jahren von den Trauben getrennt zu entwickeln; von Kiwifrüchten vor ca. 101 Mio. Jahren und von Tomaten und Kartoffeln vor rund 90 Mio. Jahren. Dann vor etwa 72 Mio. Jahren, trennten sich die Wege von Möhren und Gartensalat, zwei Arten, die zur Gruppe der Euasteriden II gehören.  

Farbe und Geschmack sind nicht gekoppelt

Anschließend untersuchten die Forscher, die Farbe der Möhren genauer. Die Forscher fanden heraus, dass die Gene, die für die Farbe zuständig sind nicht mit denen Genen zusammenhängen, die für den Geschmack der Wurzeln verantwortlich sind. Der Siegeszug der farbigen Möhren war also nur Zufall und ein guter zugleich, denn unbeabsichtigt wurden damit auch die gesündesten Pflanzen von unseren Vorfahren selektiert. Und die orangenen Möhren sind die gesündesten von allen. Phil Simon vermutet, es war ein Trick von frühen „Züchtern“, um die wilden Pflanzen von denen zu unterscheiden, die sie gezielt anbauten.

Anreicherung von Carotinoiden

Die Wissenschaftler stießen bei der Studie auf ein bisher ungekanntes, aber vielversprechendes Kandidatengen, mit Namen „DCAR_032551“, das für die hohen Konzentrationen an Carotinoiden in den Wurzeln der Möhren verantwortlich zu sein scheint. Auch wenn es für die Anreicherung benötigt wird, ist es nicht an der Biosynthese von Carotinoiden beteiligt, wie die Forscher betonen.

Das Gen hat einen Defekt (Mutation), der nicht in wilden oder kultivierten weißen Möhren zu finden war. Die Mutation sorgt für ein verändertes Leseraster der DNA. Es ist auch das einzige Gen, das signifikant anders exprimiert wurde, wenn man die unterschiedlich farbigen Möhren verglich.

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Die Forscher vermuten, dass „DCAR_032551“ mit der Wahrnehmung von Licht zusammenhängt. Denn bei ihren Transkriptom-Analysen der Region in der das Gen gefunden wurde entdeckten die Forscher bei Möhren mit hohen Carotinoid-Gehalten eine erhöhte Expression von lichtinduzierten Genen, darunter Gene, die bei der Photosynthese involviert sind. Eine verwunderliche Entdeckung bei Wurzeln, die nicht mit Licht in Berührung kommen und keine Photosynthese betreiben. „Es ist eine Umfunktionierung von Genen, die Pflanzen in der Regel verwenden, wenn sie im Licht wachsen“, sagt Simon. Das Gen regelt womöglich die Entwicklung von Photosystemen sowie funktionale Prozesse, einschließlich Photomorphogenese, d. h. die gesamte Entwicklung einer Pflanze, die Licht ausgesetzt ist. Es führt zu einer erhöhten Aktivität von Genen, die in der Biosynthese von Carotinoiden involviert sind und unterstützt so die Anhäufung der Stoffe in den Wurzeln.

Genetisches „Werkzeug“ für die Pflanzenzüchtung

Darüber hinaus identifizierten die Forscher rund 3200 weitere Regulatorgene, d. h. Gene, die Transkriptionsfaktoren kodieren und die Genexpression steuern, und über 630 mutmaßliche Gene die Resistenzen gegenüber Schädlingen oder Krankheiten kodieren.

Die gesamten genomischen Informationen der Studie wurden bereits anderen Forschern zugänglich gemacht. Sie können helfen, die Züchtung an den beliebten Rüben zu beschleunigen und Eigenschaften wie Dürretoleranz oder Krankheitsresistenzen mithilfe identifizierter molekularer Marker gezielter und damit schneller in neue Sorten einzubringen. Aber auch Sorten, die noch gesünder sind oder weniger Unverträglichkeiten auslösen sind denkbar. „In Zukunft wird das Genom als Grundlage für die molekulare Züchtung der Möhre dienen“, fasst Allen Van Deynze zusammen, der an der Studie beteiligt war. Auch andere Arten wie Pastinaken und Maniok könnten nun von den genetischen Ressourcen, die für Möhren entwickelt wurden profitieren, betonen die Forscher, da diese stammesgeschichtlich mit den Möhren verwandt sind – beiden gehören zur Gruppe der Asteriden.