Projekt PREBreed

Während der Grünen Revolution wurden Getreidepflanzen stark auf kurze Halmlänge gezüchtet. Denn das kurze Stroh brachte mehrere Vorteile: Es erhöhte die Standfestigkeit der Ähren, die nun auch bei Wind und Wetter seltener umknickten. Außerdem verwendeten die Pflanzen weniger Ressourcen für das Stängelwachstum.

#####1#####

Weil sich die Züchter damals stark auf die Kurzstrohigkeit konzentrierten, gingen andere positive Eigenschaften aus dem Genom verloren – etwa die Stickstoffnutzungseffizienz. Das war zunächst kein Problem, denn synthetischer Stickstoffdünger stand, durch das Haber-Bosch Verfahren fast unbegrenzt zur Verfügung, und die negativen Auswirkungen einer Überdüngung waren noch nicht bekannt.

Heute weiß man, dass Stickstoffauswaschungen aus der Landwirtschaft ein großes Problem für benachbarte Ökosysteme und Gewässer darstellen. „Wir brauchen Pflanzen, die mit dem Stickstoffangebot im Boden besser umgehen können“, sagt Professor Nils Stein, der am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) forscht und das interdisziplinäre Projekt PREBreed koordiniert.

Die Projektpartner und das übergeordnete Ziel

Nicht nur bei Gerste, sondern bei vielen Kulturpflanzen ist das Wurzelsystem bislang ein untererforschter Bereich. Ziel von PREBreed ist es, nicht nur die kodierenden Sequenzen im Genom zu verstehen, sondern auch die regulatorischen. Denn ein Genom zu sequenzieren ist heute schnell und einfach. Von Gerste liegen bereits die vollständigen Sequenzen von 76 unterschiedlichen Genomen vor, 53 davon aus Kultur- und 23 aus Wildgersten. „Wir haben eine sehr gute Datengrundlage, was die Genomdiversität von Gerste angeht“, sagt Stein.

Die größte Hürde besteht nun darin, den vielen, in den sequenzierten Genomen gefundenen Gene und regulatorischen Bereiche, konkrete Funktionen zuzuordnen – also funktionelle Genomik im Hochdurchsatz zu betreiben. „Das Gerstengenom umfasst mindestens 35.000 Gene. Etwa 100 davon haben wir bislang gezielt charakterisiert. Wenn wir in dem Tempo weitermachen wie bisher, also drei Gene pro Jahr, dann sind wir in 10.000 Jahren fertig. Das ist natürlich keine Option“, fasst Stein zusammen.

Wissenschaftliche Partner

• Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK): Prof. Dr. Nils Stein (Projektkoordinator), Dr. Uwe Scholz, Prof. Dr. Nicolaus von Wirén, Dr. Jozefus Schippers
• Helmholtz-Zentrum München: Dr. Manuel Spannagl
• Forschungszentrum Jülich GmbH: Dr. Jedrzej Jakub Szymanski
• Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf: Dr. Thomas Hartwig

Industriepartner

• Nordic Seed Germany GmbH: Prof. Dr. Ahmed Jahoor
• Secobra Saatzucht GmbH: Salim Trouchaud
• Saatzucht Streng-Engelen GmbH & Co. KG: Dipl. Ing. Agr. (FH) Peter Greif

Das experimentelle Vorgehen

Bindestellen für Transkriptionsfaktoren identifizieren

#####2#####

Der proteinkodierende Anteil des Gerstengenoms beträgt nur rund zwei Prozent. Ein Großteil der übrigen DNA ist jedoch für die Genregulation zugänglich. Auch die dreidimensionale Architektur des Genoms spielt eine entscheidende Rolle dafür, wann ein Gen abgelesen wird.

Um herauszufinden, wo genau Transkriptionsfaktoren (TF) an die DNA binden, hat Dr. Thomas Hartwig von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf eine spezielle Methode entwickelt. Dabei wird die DNA mit den daran gebundenen Transkriptionsfaktoren von Restriktionsenzymen in kleine Stücke geschnitten. Die Bereiche, an die Transkriptionsfaktoren gebunden haben, sind jedoch vor dem enzymatischen Abbau geschützt. „Sequenziert man die verbleibenden Stücke, weiß man, wo sich die Transkriptionsfaktor-Bindestellen befinden“, erklärt Stein.

3D-Architektur des Gerstengenoms entschlüsseln

Gene können nur dann abgelesen werden, wenn das Chromatin an dieser Stelle offen und damit für Enzyme zugänglich ist. Für zwanzig Gerstengenotypen, die im Rahmen des Pangenom-Projekts entschlüsselt wurden, liegen bereits experimentelle Daten zur dreidimensionalen Struktur des Genoms vor. Da dieser Prozess jedoch sehr aufwendig ist, beschäftigt sich PREBreed auch damit, solche aktiven Regulierungssequenzen mithilfe mathematischer Modelle zu identifizieren.

Funktionsanalyse von Genen im Hochdurchsatz

Der sicherste Weg, die Funktion eines Gens zu verstehen, besteht darin, es gezielt auszuschalten und anschließend den Phänotyp der Knockout-Mutante zu untersuchen. Dank der Genschere CRISPR/Cas ist das Ausschalten einzelner Gene inzwischen Routine. Um jedoch den Einfluss eines Gens auf die gesamte Pflanze bewerten zu können, muss aus den mutierten Zellen eine vollständige Pflanze regeneriert werden – ein bei Gerste technisch anspruchsvoller und teurer Prozess.

Geplant war, 1.000 mutagenisierte Gene im Rahmen von PREBreed zu erzeugen, doch das erwies sich als kaum finanzierbar. „Die schlechte Transformier- und Regenierbarkeit von Gerste, hat kommerzielle Dienstleister abgeschreckt, im Rahmen der finanziellen Möglichkeiten der Projektförderung“, erinnert sich Stein.

Dann ergab sich eine Kooperation mit dem Carlsberg Research Laboratory (CRL), der Forschungseinrichtung der Carlsberg Foundation und der gleichnamigen dänischen Brauerei. Dort wurde kürzlich eine neue Hochdurchsatz-Technik für die schnelle Identifikation von Einzel-Nukleotid-Mutationen entwickelt. „Ich hatte nicht damit gerechnet, dass sie anbeißen, aber sie haben es getan“, erinnert sich Stein. „Sie bekommen dafür kein Geld, aber viel Innovation und Informationen aus dem Projekt für ihre eigene Forschung.“

#####4#####

Für 400 Gene, die vorwiegend mit der Wurzelarchitektur in Zusammenhang stehen, wird das CRL die gewünschten (Knock-out-)Mutanten an PREBreed liefern, die sich anschließend mit der Phänotypisierung dieser Genotypen und der Funktionsanalyse der Gene beschäftigen. Häufig beschränken sich die Effekte solcher Mutationen nicht auf die Wurzel, sondern sind pleiotrop – sie betreffen also mehrere Teile derselben oder die gesamte Pflanze. „Wir hoffen, dass wir in diesem Projekt zeigen können, dass eine Funktionsanalyse mit Anwendungsperspektive auch in größerem Umfang möglich ist“, sagt Stein.

Wenn beim Screening der Pflanzen Genotypen mit besonderen Wurzeleigenschaften auffallen, kommen die beteiligten Züchtungsunternehmen ins Spiel. Sie führen Kreuzungen durch und testen die Genotypen in unterschiedlichen Umwelten, um deren Leistungsfähigkeit zu prüfen.

Kooperation mit PROGRESS

PREBreed kooperiert eng mit dem Projekt PROGRESS, das neue Methoden für Transformation und Genom-Editierung bei Gerste entwickelt.

Ausblick

Im Rahmen von PREBreed soll ein Atlas der funktionellen Bereiche des Gerstengenoms entstehen – und damit eine neue Datengrundlage für die Forschungszüchtung. Die Zeithorizonte, in denen Nils Stein und sein Konsortium denken, sind langfristig aber auch ambitioniert: „Wir sind 2005 mit dem Plan angetreten, das Genom der Gerste zu sequenzieren, und 2017 waren wir damit fertig. Heute sequenzieren wir ein Gerstegenom vollständig innerhalb einer Woche! Es ist realistisch, dass wir in zehn oder fünfzehn Jahren Werkzeuge und Methoden entwickelt haben, die es uns erlauben

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Gen-Schatz aus der Wildnis – Wie das Erbgut von Wildgerste die Züchtung beflügeln kann
• Die „Mosaik-Abstammung“ der Gerste – Nature-Studie zeigt: Fünf Wildpopulationen formten unsere Kulturgerste
• Strukturelle Variation im Pangenom der Gerste – Vielfalt trotz Flaschenhals

Titelbild: Gerstenkeimlinge mit ihren Wurzeln: Das Wurzelsystem steht im Fokus des Projekts PREBreed, das genetische Grundlagen für eine effizientere Stickstoffnutzung und nachhaltigere Gerstensorten erforscht. (Bildquelle: © Pflanzenforschung, erstellt mit DALLE/OpenAI)