Der Weg zur gläsernen Gerste

Ein internationales Forschungsteam unter Führung des Leibniz-Institutes für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Universität Göttingen hat entscheidende Fortschritte bei der Entschlüsselung des Gerste Pan-Genoms erzielen können. Ein Teil dieses Teams ist Prof. Dr. Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomik genetischer Ressourcen am IPK und Inhaber einer Brückenprofessur an der Universität Göttingen. Im Gespräch mit uns berichtet er über Erkenntnisse der Studie sowie deren Potenzial für die Zukunft der Pflanzenzucht.


Herr Stein, Sie haben gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam unter Führung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung  sowie der Uni Göttingen einen weiteren Teil der Erbinformation des Gerste Pan-Genoms entschlüsselt. Könnten Sie zunächst einmal kurz erläutern, was der Ausdruck der „gläsernen Pflanze“ in diesem Zusammenhang bedeutet?

Prof. Dr. Nils Stein, IPK Gatersleben & Uni Göttingen

Mit diesem Bild wollte ich zum Ausdruck bringen, dass die Kenntnis der gesamten Erbinformation eines Organismus die Basis darstellt, um die Funktion biologischer Prozesse verstehen zu lernen. Mit der Kenntnis der DNA-Sequenz und deren regulatorischen Elemente gelangen wir näher an die Möglichkeit, pflanzliche Eigenschaften vorhersagen und somit sehr viel gezielter züchterisch bearbeiten zu können. Die Biologie der Pflanze wird für uns transparenter – gläsern.

Diese Transparenz bei einer so großen Gattung wie der Gerste herzustellen, stellt sich doch bestimmt als herausfordernd dar. Wie sind Sie denn bei den Untersuchungen auf dem Weg zur „gläsernen Gerste“ vorgegangen?

Die Entscheidung zur vollständigen Sequenzierung des Gerstegenoms reifte ungefähr im Jahr 2005. Zu diesem Zeitpunkt war es noch nicht realisierbar ein Genom, doppelt so groß wie das des Menschens, vollständig zu entschlüsseln. Es wurden jedoch schon neue Sequenziertechnologien zur Entschlüsselung des menschlichen Genoms erforscht. Diese Technologien sollten dabei Kosten von 1000 Euro nicht überschreiten. Auf diesem Wege sollte  DNA- bzw. Genomsequenzierung als medizinisches Diagnosewerkzeug etabliert werden. Die Pflanzenforschung hat von dieser Entwicklung profitiert, sodass wir schließlich die erste Entwurfssequenz des Gerstegenoms vorlegen konnten. Mit der rasanten Weiterentwicklung der Methoden zur Genomsequenzierung und zur Auflösung der dreidimensionalen Anordnung der Erbinformation im Zellkern, gelang es uns schließlich eine erste vollständige und relativ hochwertige Genomsequenz der Gerste zu veröffentlichen. Zeitgleich zeichnete sich anhand von Mikroorganismen aber auch höheren Organismen inklusive Pflanzen ab, dass eine Referenzsequenz für eine Art zwar eine wichtige Wissensgrundlage schafft, jedoch nicht die vollständige Erbinformation einer Spezies darstellt. So können sich Genomsequenzen verschiedener Individuen einer Spezies in der Anzahl ihrer Gene unterscheiden und auch die Anordnung der Erbinformation in ihrer linearen Abfolge kann variieren. Folglich müssen zur Erfassung des Pan-Genoms dieser Spezies und somit der Schaffung der “gläsernen Gerste” weitere Genomsequenzen entschlüsselt werden. Ausgangspunkt für diesen Schritt war zunächst die systematische Erfassung der genetischen Diversität in Kulturgerste. Mittels Genomkomplexitäts-reduzierender Sequenzierung haben wir hierfür über 20.000 Muster aus der Gerstesammlung der Bundeszentralen ex situ Genbank für Kulturpflanzen am IPK Gatersleben charakterisiert. Dies lieferte ein umfassendes Bild der weltweiten Genomdiversität der Gerste und führte zur Identifikation von 20 Individuen, welche die unterschiedlichen Diversitätsgruppen zutreffend repräsentierten. Diese 20 Genome wurden dann systematisch vollständig sequenziert, zusammengesetzt (assembliert) und miteinander verglichen.

Was sind die wichtigsten Erkenntnisse Ihrer Forschungsarbeit? 

Nun können wir sehr genau abschätzen, um welchen prozentualen Anteil der Gene sich zwei diverse Genotypen durchschnittlich voneinander unterscheiden. Nicht in allen 20 Genotypen auffindbar waren hierbei bis zu 30% der annotierten Gene, fehlten also in der ein oder anderen Sequenz. Bis zu 4% der Gene wurden jeweils nur in einem der 20 Genome gefunden. Trotz dieser Erkenntnisse lässt sich sagen, dass 20 Genotypen nicht ausreichen, um das Pan-Genom der Gerste vollständig zu beschreiben – hierfür benötigen wir die vollständige Sequenz von 70 oder sogar noch mehr Genomen. Bei dieser Betrachtung ist aber noch nicht die Wildgerste berücksichtigt, aus welcher unsere Kulturgerste in Domestikation hervorgegangen ist. Unter Einbeziehung von dieser würden noch mehr Sequenzen benötigt. Des Weiteren haben wir sehr umfangreiche Abschnitte (bis zu einem halben Chromosomenarm) finden können, in denen die Gene zwischen zwei Genomen in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sind (sog. Inversionen). Auf diese Art und Weise steht uns nun eine komplett neue Datenreferenz zur Verfügung, um Genomdiversität zu erfassen. Denken Sie an die 20.000 Muster, die wir zuvor charakterisiert haben. Diese wurden nur gegen diese eine Referenzsequenz verglichen. Alle in dieser Referenz fehlenden Varianten können folglich auch nicht in den 20.000 Mustern charakterisiert werden.

Könnten die von Ihnen erwähnten Inversionen nicht die Rekombination und somit auch die züchterische Neukombination gewünschter Merkmale als schwierig gestalten? Bedeutet das womöglich, dass beispielsweise Hybridzüchtung mit manchen Gerste-Sorten gar nicht realisierbar ist? 

Spektrum der Vielfalt bei Gerste und Weizen (Foto: Andreas Bähring)

Für die Erzeugung von Hybriden bedarf es nur der Befruchtung von männlicher und weiblicher Gamete, also Pollen und Eizelle. Da spielen Inversionen keine Rolle. Für die Befruchtung der Eizelle und Entwicklung der Zygote ist es lediglich erforderlich, dass jeweils ein vollständiger Chromosomensatz beider Eltern übertragen wird und somit nicht die genaue Anordnung auf dem Chromosom. Es ist daher sogar hypothetisch möglich, dass für die Hybridzüchtung die Existenz von großen Inversionen einen Vorteil darstellen könnte. Invertierte Regionen in einer Population divergieren durch die Anreicherung von neuen Mutationen voneinander. Da keine Rekombination stattfinden kann, können sich die divergierende Bereiche nicht mehr durchmischen. Für einen starken Heterosiseffekt, den man in der Hybridzüchtung erreichen möchte, ist es von Vorteil möglichst divergentes oder fern verwandtes Material (aus divergierenden Genpools) miteinander zu kombinieren. Für die Linienzüchtung, die in Gerste eine weitaus größere Rolle spielt und die auch eine Grundlage für die Hybridzüchtung darstellt, stellen große Inversionen jedoch ein Problem dar.

Inwieweit können Pflanzenzüchter:innen von diesen Erkenntnissen profitieren?

Die jetzt publizierte Information stellt definitiv eine attraktive neue Datengrundlage für die Pflanzenzüchtung – insbesondere für die Linienzüchtung – dar. In dieser kombiniert man zwei unterschiedliche Genotypen, die sich in wichtigen Merkmalen unterscheiden. Zum Beispiel kreuzt man die beste Ertragssorte mit einer, die ein wichtiges Resistenzgen besitzt. Durch Kreuzung versucht man nun das Resistenzgen in den Hintergrund der Hochleistungssorte zu bringen. Hierfür muss das erste Kreuzungsprodukt über mehrere Generationen gegen die Hochleistungssorte rückgekreuzt werden. Auf diese Weise versucht man die Erbinformation des Resistenzgen-tragenden Kreuzungspartners wieder vollständig zu entfernen, idealerweise bis auf das Resistenzgen. Liegt dieses jedoch in einem Genomabschnitt, der in den Kreuzungspartnern in entgegengesetzter Anordnung, also eine Inversion, vorliegt, so kann es in der Nachbarschaft des Resistenzgens nicht zum Austausch oder zur Neukombination (Rekombination) der Erbinformation kommen. Eigenschaften in der Nähe des Resistenzgens, die sich möglicherweise negativ auf den Ertrag oder die Fruchtbarkeit auswirken, können nicht durch Rückkreuzung „weg-rekombiniert“ werden. Bisher konnten solche Inversionen nicht gezielt bei der Züchtung berücksichtigt werden. Unser Team hat erstmals die Bedeutung dieses Phänomens aufgezeigt und Beispiele vorgelegt, wie diese Information mittels molekularer Marker auch als Information in die markergestützte Selektion eingebunden werden könnte. Kurioserweise haben wir die umfangreichste Inversion in einer der momentan erfolgreichsten Sommergersten identifizieren können, was natürlich außerordentlich interessant für unsere Pflanzenzüchter:innen sein dürfte. Ich bin mir sicher, dass das Bewusstsein um diese Erkenntnisse die Pflanzenzucht nachhaltig beeinflussen und auf diese Weise verbessern werden.


KONTAKT

Prof. Dr. Nils Stein

Georg-August-Universität Göttingen

Zentrum für Integrierte Züchtungsforschung

Leiter der Forschergruppe „Genomics of Genetic Resources“

Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung Gatersleben

stein@ipk-gatersleben.de

Originalveröffentlichung: Jayakodi, Padmarasu et al. (2020), The barley pan-genome reveals the hidden legacy of mutation breeding. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2947-8

GLOSSAR

Chromosom: Träger der Erbinformationen; besteht aus DNA1

Gamete: Der Fortpflanzung dienende Zelle2

Genom: die gesamte Erbinformation eines Lebewesens3

Genotyp: Kombination von Erbanlagen, die hinter einem Merkmal stehen4

Genomdiversität: Vielfalt des Erbgutes

Heterosis-Effekt: bezeichnet die besonders ausgeprägte Leistungsfähigkeit von Hybriden5

Hybridzüchtung: Kreuzung zweier genetisch möglichst unterschiedlicher Elternlinien6

Linienzüchtung: Kreuzung zweier Elternlinien, die sich in ihren Eigenschaften ergänzen; daraufhin erfolgt durch Selektion die Weiterentwicklung zu reinerbigen Pflanzenlinien7

Pan-Genom: Gesamtheit aller Gene für alle Stämme innerhalb einer Klade8

Rekombination: die durch natürliche oder künstliche Prozesse erfolgende Um- und Neukombination von Genen9

QUELLEN

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