Meilenstein der Hafergenetik

Hafer gilt als besonders gesund und vielseitig – er senkt den Cholesterinspiegel, liefert Ballaststoffe und ist von Natur aus glutenfrei. Trotzdem wurde er im Vergleich zu Weizen, Reis oder Mais lange vernachlässigt – er ist in gewissem Sinne ein orphan crop. Entsprechend blieb auch sein Anbau begrenzt. Dabei könnte Hafer mit besseren, klimaangepassten Sorten nicht nur eine größere Rolle in der Ernährung spielen, sondern auch die Biodiversität auf den Feldern erhöhen – denn eine vielfältigere Fruchtfolge macht Agrarsysteme widerstandsfähiger.

Doch aus wissenschaftlicher Sicht war der Hafer bislang ein schwer zu durchschauender Fall: Sein Erbgut ist außergewöhnlich groß und kompliziert. Der Grund dafür liegt in seiner Geschichte. Der Kulturhafer (Avena sativa) besitzt gleich sechs Chromosomensätze, die aus drei unterschiedlichen Urgenomen stammen. Diese komplexe Veranlagung hat ihn über Jahrtausende robust gemacht, sie erschwerte aber die genetische Analyse erheblich.

Das Pangenom bringt Licht ins komplexe Hafer-Erbgut

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Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben hat diesen genetischen Nebel nun gelichtet. Gemeinsam mit Partnern der Technischen Universität München (TUM) und Helmholtz Zentrum München erstellten sie erstmals ein vollständiges Pangenom des Hafers – also eine Art Gesamtkatalog aller Gene, die in verschiedenen Sorten und Linien vorkommen. Dafür sequenzierten und verglichen die Forschenden die Genome von 33 Haferlinien aus aller Welt, darunter moderne Sorten, alte Landrassen und wilde Verwandte.

Das Pangenom zeigt, welche Gene allen Haferpflanzen gemeinsam sind und welche nur in bestimmten Linien vorkommen. Damit entsteht eine Art genetische Landkarte, die nicht nur die „Pflichtgene“ des Hafers umfasst, sondern auch seine „Zusatzausstattung“ – jene Gene also, die ihm helfen, sich an Hitze, Trockenheit oder Krankheiten anzupassen. „Mit unserem Pangenom zeigen wir, wie groß die genetische Vielfalt im Hafer wirklich ist. Das hilft, besser zu verstehen, welche Gene für Ertrag, Anpassung und Gesundheit wichtig sind“, erklärt Studienautor Dr. Raz Avni.

Wenn Chromosomen sich verschieben

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Besonders spannend sind die Erkenntnisse zu strukturellen Veränderungen im Erbgut. Im Lauf der Evolution und Züchtung haben sich im Hafer Chromosomenabschnitte wiederholt umgeordnet – sie wurden vertauscht, gedreht oder an neue Positionen verschoben. Solche Veränderungen, sogenannte Inversionen und Translokationen, können entscheidenden Einfluss auf Pflanzenmerkmale haben.

Das neue Pangenom erlaubt es erstmals, diese Umbauten im Detail zu kartieren. Eine besonders große Inversion auf Chromosom 7D steht etwa mit dem Blühzeitpunkt in Verbindung: Linien mit der einen Chromosomenvariante blühen im Durchschnitt einige Tage früher als andere. Diese Erkenntnis ist nicht nur ein genetisches Kuriosum – sie kann Züchterinnen und Züchtern helfen, Sorten gezielt an unterschiedliche Klimazonen und Tageslängen anzupassen.

Auch in der jüngeren Züchtungsgeschichte finden sich Spuren solcher Umbauten. So entdeckte das Team eine auffällige Vertauschung zwischen den Chromosomen 2A und 2C in mehreren erfolgreichen australischen Hafersorten. Dieser Austausch geht offenbar auf eine Mutationszuchtlinie aus den 1970er Jahren zurück und könnte mit zu ihrem hohen Ertrag beigetragen haben. Solche strukturellen Variationen sind ein zweischneidiges Schwert: Sie können vorteilhafte Genkombinationen stabilisieren, erschweren aber manchmal den Genaustausch bei Kreuzungen.

„Die Entschlüsselung des Hafer-Pangenoms zeigt, wie moderne Genomik nicht nur die Grundlagenforschung voranbringt, sondern auch direkte Auswirkungen auf Gesundheit, Landwirtschaft und Züchtung haben kann“, sagt Dr. Martin Mascher, Leiter der Arbeitsgruppe Domestikationsgenomik am IPK.

Das Pantranskriptom zeigt, wann Gene aktiv werden

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Ergänzend zum Pangenom haben die Forschenden ein Pantranskriptom erstellt – eine Übersicht, wann und wo Gene im Hafer aktiv sind. So konnten sie nachweisen, dass die Aktivitätsmuster vieler Gene eng mit der geografischen Herkunft der Haferlinien zusammenhängen. Offenbar spiegeln sich darin die feinen Anpassungen an Klima, Licht und Boden wider, die über Jahrtausende entstanden sind.

„Die Kombination aus Pangenom und Pantranskriptom eröffnet neue Möglichkeiten, Haferlinien zu züchten, die sowohl ertragreich als auch an unterschiedliche Klimabedingungen angepasst sind“, betont Prof. Manuel Spannagl vom Helmholtz Zentrum München.

Woher der Hafer stammt

Parallel zum Pangenomprojekt untersuchte ein zweites Forschungsteam die Herkunft und globale genetische Struktur des Hafers. Dafür analysierten die Forschenden rund 9.000 verschiedene Haferproben aus Genbanken und Züchtungsprogrammen weltweit – von wilden Arten bis zu modernen Sorten. Dabei zeigte sich, dass die Wildform Avena sterilis aus mindestens vier unterschiedlichen genetischen Populationen besteht, die jeweils mit bestimmten Regionen im Mittelmeerraum und Nahen Osten verknüpft sind.

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Auch die beiden kultivierten Arten, Avena sativa (Weißhafer) und Avena byzantina (Rot- oder Mittelmeerhafer), unterscheiden sich genetisch deutlicher, als man bisher vermutet hatte. Diese Trennung lässt darauf schließen, dass der Hafer mehrfach domestiziert wurde – also unabhängig voneinander in verschiedenen Regionen aus Wildpopulationen hervorging. Manche Chromosomenabschnitte, die mit lokaler Anpassung verknüpft sind, zeigen zudem auffällige strukturelle Unterschiede, etwa auf den Chromosomen 1A, 3C, 4C und 7D. Diese Umbauten könnten bei der Entstehung von Fortpflanzungsbarrieren eine Rolle gespielt haben – also bei der Entwicklung genetisch getrennter Linien, die sich nicht mehr beliebig kreuzen lassen.

Solche Erkenntnisse sind nicht nur für Evolutionsbiologen interessant, sondern auch für die Praxis. Wer heute Hafer züchtet, muss wissen, welche Linien genetisch kompatibel sind und welche nicht. Denn große strukturelle Unterschiede im Erbgut können dazu führen, dass Kreuzungen nicht die gewünschten Nachkommen liefern. Das neue genetische Wissen erlaubt es, solche Probleme im Vorfeld zu erkennen – und Züchtungsprogramme gezielter zu planen.

Weichenstellung für den Hafer von morgen

Die beiden Studien markieren einen Meilenstein in der Haferforschung. Zum ersten Mal lässt sich nachvollziehen, wie vielfältig und anpassungsfähig das Erbgut dieser alten Kulturpflanze ist – und wie eng ihre Geschichte mit ihrer genetischen Architektur verknüpft ist. Hafer ist zwar im Vergleich zu Weizen, Reis oder Mais ein Nischengetreide, doch gerade in Zeiten des Klimawandels gewinnt er an Bedeutung. Sein hoher Nährwert, seine Robustheit und seine Eignung für pflanzliche Milchalternativen machen ihn zu einer Kulturpflanze mit Zukunft. Eine größere Vielfalt an Getreidearten auf unseren Feldern könnte auch dazu beitragen, Risiken im Anbau besser zu verteilen – und damit auch unsere Ernährungssysteme stabiler zu machen.

Quellen:

• Avni, R. et al. (2025). A pangenome and pantranscriptome of hexaploid oat. Nature (29. Oktober 2025). doi: 10.1038/s41586-025-09676-7
• Bekele, W. A. et al. (2025). Global genomic population structure of wild and cultivated oat reveals signatures of chromosome rearrangements. Nature Communications (29. Oktober 2025). doi: 10.1038/s41467-025-57895-3

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Hafer-Referenzgenom veröffentlicht - „Ein Genom wie ein großes Mosaik“
• „Durch Bioinformatik entlocke ich ‚Waisenpflanzen‘ ihre Geheimnisse“  - Interview mit Nadia Kamal
• Interview mit Martin Mascher - Über Pangenome, Alpha-Fold und Delfin-Hafer

Titelbild: Hafer kommt genau wie Weizen oder Gerste aus dem fruchtbaren Halbmond, wurde aber erst viel später domestiziert. (Bildquelle: © Couleur / Pixabay)