Projekt TEOSINTE

Vor etwa 9.000 Jahren begannen die Menschen, das Gras Teosinte zu kultivieren und zu domestizieren. Sie selektierten immer wieder die Pflanzen mit den günstigsten Eigenschaften und säten deren Samen im nächsten Jahreszyklus wieder aus. Über viele Jahrtausende hinweg wurden aus Teosinte-Kolben mit nur einem Dutzend kleiner, harter Körner die heute bekannten Maiskolben mit Hunderten von schmackhaften und nährstoffreichen Körnern.

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Doch während dieses Domestizierungsprozesses gingen viele nützlichen Eigenschaften des Teosinte verloren. "Es gibt genetische Anpassungen in Teosinte, zum Beispiel an extreme Klimabedingungen oder Resistenzen gegen Pflanzenkrankheiten und Schadinsekten, die wir uns für unsere zukünftigen Maissorten wünschen", erklärt Asis Hallab, Professorin für Bioinformatik am Forschungszentrum Jülich. „Doch diese Gene fehlen im modernen Mais. Mit der Erforschung der wilden Verwandte des Mais können wir diese Ressource verstehen und zugänglich machen.“

Die Projektpartner und das übergeordnete Ziel

Das Projekt zielt darauf ab, qualitativ hochwertige Genomdaten der wilden Vorfahren von Mais zu generieren und dann die genetische Diversität von Teosinte zu analysieren. Im Fokus der Forschungsarbeiten stehen Populationsgenetik für die Konservation von Teosinte-Arten und die Identifikation von genetischen Anpassungen an extreme Klimabedingungen.

Wissenschaftliche Partner

• Institute of Bio- and Geosciences (IBG), Bioinformatics (IBG-4) (Projektkoordinator), Forschungszentrum Jülich.
• University of Applied Sciences Bingen.
• Departamento de Producción Agrícola, Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Guadalajara, Jalisco, México.
• Departamento de Ecología Evolutiva, Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México C.P. 04510, CDMX, México.
• Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (CONABIO), Liga Periférico Insurgentes Sur 4903, Col. Parques del Pedregal, Tlalpan, CDMX, México.
• Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Benito Juárez (CONACYT), CDMX, México, Avenida Insurgentes Sur 1582, Crédito Constructor, Benito Juárez, CDMX, México.
• Jardín Botánico, Instituto de Biología, Universidad Nacional Autónoma de México C.P. 04510 CDMX, México.
• Departamento de Ciencias Básicas, Tecnológico Nacional de México campus Tlajomulco. C.P. 45640, Tlajomulco de Zúñiga, Jalisco, México.

Das Vorgehen

Teosinte wächst in Mexiko in allen möglichen Höhenlagen vom Meeresspiegel bis zum Hochgebirge. Es wächst auf sandigen, vulkanischen oder lehmigen Böden ebenso wie in sehr trockenen Regionen oder feuchten Regenwäldern.

"Wir haben das Glück, dass unsere mexikanischen Partner bereits über eine große Probensammlung verfügen, die alle verschiedenen Klimazonen Mexikos abdeckt", sagt Asis Hallab. Die Sammlung umfasst insgesamt rund 4.000 Proben von 276 Populationen aller in Mexiko bekannten Teosinte-Arten und Unterarten.

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Für diese Pflanzen liegen bereits phänotypische Beschreibungen vor, zum Beispiel die Anzahl der Blätter oder das Kolbengewicht. Auch Daten über den Standort und das dortige Klima sind erfasst: geografische Koordinaten, Höhe über dem Meeresspiegel, Temperatur, Niederschlag und so weiter. Eine vollständige Genomsequenzierung ist jedoch noch nicht möglich. Stattdessen verwendete das Team sogenannte Genotyping-by-Sequencing-Daten (GBS).

"Dazu wurde die genomische DNA in kleine Stücke geschnitten, deren Enden recht kostengünstig sequenziert werden können", erklärt Hallab das Verfahren. Das Ergebnis sind etwa 150 bis 200 Basenpaare lange DNA-Schnipsel - ein kleiner Einblick in das Genom. Rund 40.000 individuelle Punktmutationen, sogenannte SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms), wurden auf diese Weise in den untersuchten Pflanzen identifiziert. "In Kombination mit den anderen Daten kann man damit ganz gut Populationsgenetik betreiben", so der Bioinformatiker weiter.

Mit statistischen Methoden lassen sich Zusammenhänge zwischen den Punktmutationen und den Eigenschaften der Pflanzen herstellen. Mithilfe der Hauptkomponentenanalyse wählte das Team acht Kandidaten aus dem Pool der untersuchten Teosinte-Individuen aus, deren Genome am besten die klimatische, phänotypische und genetische Vielfalt widerspiegeln. Diese sollen nun vollständig sequenziert werden. Geplant ist auch die Sequenzierung des Transkriptoms verschiedener Organe wie Wurzel, Sprossachse, Blätter, männliche und weibliche Blüten, und Kolben, um organspezifische Anpassungen an Klimaextreme auch auf der Ebene der aktiven Gene erkennen zu können.

Ausblick

Das Projekt befindet sich derzeit in der heißen Phase. Die Teosinte-Pflanzen für die Sequenzierung sind ausgewählt. Jetzt heißt es abwarten: "Wenn wir Anpassungen finden, also z.B. genetische Loci für eine Resilienz gegenüber Klimaextremen, wäre das ein hervorragendes Ergebnis."

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• „Schmal-Mais“ gesucht – Neu entdecktes Teosinte-Gen kann den Flächenertrag von Mais steigern
• Domestikationsgeschichte von Mais revidiert – Neue Erkenntnisse durch genetische und archäologische Analysen
• Punktmutationen schaffen Nahrungspflanzen – Minimale Veränderung trennt Mais und dessen Wildform Teosinte

Titelbild: Moderner Mais soll mit den Genen seines Vorfahrens – dem Gras Teosinte – fit für den Klimawandel gemacht werden. (Bildquelle: © Ribelmais / Wikipedia, CC BY-SA 4.0)