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Brotweizensorte Chinese Spring sequenziert

Der Weg zu besseren Sorten: Weizengenom entschlüsselt

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Züchtungsforschung wird heute nicht mehr nur nach der Trial-and-Error-Methode durchgeführt. Erkenntnisse auf Genom-Ebene lassen es, gemeinsam mit Genome-Editing-Techniken, zu, gezielt neue Pflanzensorten zu entwickeln. Das komplett entschlüsselte Genom des Weizens, das gerade vom International Wheat Genome Sequencing Consortium veröffentlicht wurde, soll dazu beitragen, die Ernährungssicherheit der Menschheit zu verbessern.

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Mehr als 200 Wissenschaftler waren an der mehr als 13 Jahre dauernden Sequenzierung des Weizengenoms beteiligt.
Mehr als 200 Wissenschaftler waren an der mehr als 13 Jahre dauernden Sequenzierung des Weizengenoms beteiligt.
(Bild: gemeinfrei / CC0)

Bethesda/USA – Das International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) hat im August 2018 eine detaillierte Beschreibung des Genoms von Brotweizen, der weltweit am häufigsten angebauten Kulturpflanze, veröffentlicht. Diese Arbeit werde den Weg für die Produktion von Weizensorten bereiten, die besser an klimatische Herausforderungen angepasst sind, höhere Erträge abwerfen sowie höhere Nährstoffqualität aufweisen und nachhaltiger sind, so die Wissenschaftler in einer Pressemitteilung. Der Forschungsartikel – verfasst von mehr als 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus 73 Forschungseinrichtungen in 20 Ländern – stellt das Referenzgenom der Brotweizensorte Chinese Spring vor. Die auf 21 Weizenchromosomen verteilte DNA-Sequenz ist die mit der höchsten Qualität, die bisher für Weizen angefertigt wurde und das Ergebnis von 13 Jahren internationaler Forschung.

Weizen: Grundnahrungsmittel für ein Drittel der Weltbevölkerung

Weizen ist eine Schlüsselpflanze für die Ernährungssicherheit: Er stellt das Grundnahrungsmittel von mehr als einem Drittel der Weltbevölkerung dar und macht fast 20 Prozent der Kalorien und Proteine aus, die von Menschen weltweit verbraucht werden - mehr als jedes andere Nahrungsmittel. Zudem dient er als eine wichtige Quelle von Vitaminen und Mineralien. Um den zukünftigen Anforderungen einer prognostizierten Weltbevölkerung von 9,6 Milliarden Menschen (bis 2050) gerecht zu werden, muss die Weizenproduktivität jedes Jahr um 1,6 Prozent steigen. Um die Artenvielfalt, die Wasser und Nährstoffressourcen zu erhalten, muss der Großteil dieses Anstiegs durch eine Verbesserung der Kulturpflanzen selbst und deren Eigenschaften auf den derzeit kultivierten Flächen erzielt werden, anstatt neue Flächen für den Anbau zu verbrauchen. Bei der Bewältigung dieser Aufgaben stehen den Wissenschaftlern und praktischen Pflanzenzüchtern mit dem nun veröffentlichten Referenzgenom neue Werkzeuge zur Verfügung. Sie werden so in der Lage sein, schneller und genauer Gene und regulatorische Elemente zu identifizieren, die für komplexe agronomische Eigenschaften wie Ertrag, Kornqualität, Resistenz gegen Pilzkrankheiten und Toleranz gegenüber abiotischem Stress zuständig sind, und so widerstandsfähigere Weizensorten produzieren.

Weizengenom ist fünfmal größer als das menschliche Genom

„Die Weizengenomsequenz gewährt uns einen Blick in den Maschinenraum des Weizens“, sagt Rudi Appels, Professor an der University of Melbourne und AgriBio Research Fellow. „Was wir sehen, ist filigran zusammengesetzt und erlaubt zum einen Variation und Anpassung an verschiedene Umgebungen durch Selektion, zum anderen aber auch ausreichende Stabilität, um grundlegende Strukturen für das Überleben unter verschiedenen klimatischen Bedingungen aufrechtzuerhalten.“ Man erwartet, dass die Verfügbarkeit der qualitativ hochwertigen Referenzgenomsequenz die Weizenzucht in den nächsten Jahrzehnten deutlich voranbringen wird, mit ähnlichen Ergebnissen wie bei Mais und Reis nach der Veröffentlichung von deren Referenzsequenzen.

Die Sequenzierung des Genoms von Brotweizen wurde lange Zeit als eine unmögliche Aufgabe betrachtet, da es enorm groß (fünf Mal größer als das menschliche Genom) und komplex ist. Es ist in drei Subgenomen organisiert und mehr als 85 Prozent der Sequenz besteht aus sich wiederholenden Elementen.

„Die Veröffentlichung des Weizen-Referenzgenoms ist der Höhepunkt der Zusammenarbeit vieler Einzelpersonen, die sich unter dem Banner der IWGSC zusammengefunden haben, um das zu tun, was als unmöglich galt“, erklärte Kellye Eversole, Geschäftsführerin der IWGSC. „Die Methode zur Erstellung der Referenzsequenz und die Prinzipien und Richtlinien des Konsortiums bieten allgemein ein Modell für die Sequenzierung großer, komplexer Pflanzengenome und verdeutlichen die Bedeutung internationaler Kooperationen, um die Ernährungssicherheit voranzubringen.“

Die bisherigen Auswirkungen der Weizen-Referenzsequenz für die wissenschaftliche Gemeinschaft waren bereits bedeutend: Das veranschaulicht die Veröffentlichung von sechs zusätzlichen Publikationen am selben Tag, die auf der Referenzsequenz aufbauen und sie verwenden.

Material ist in diversen wissenschaftlichen Datenbanken öffentlich verfügbar

Zusätzlich zu der Sequenz der 21 Chromosomen präsentiert der Artikel auch die genaue Position von 107.891 Genen und mehr als 4 Millionen molekularen Markern. Dazu kommen Sequenzinformationen über die Bereiche zwischen den Genen und Markern, die die regulatorischen Elemente enthalten und die Expression der Gene beeinflussen. Um diese Ergebnisse zu gewinnen, kombinierte das IWGSC über die letzten 13 Jahre klassische physikalische Kartierungsmethoden mit neuen DNA-Sequenzierungstechnologien. Hocheffiziente Algorithmen ordneten anschließend die Sequenzdaten entlang der 21 Chromosomen und Gene wurden mit entsprechenden Softwareprogrammen identifiziert.

Alle Materialien rund um die Referenzsequenz sind öffentlich verfügbar im IWGSC-Daten-Repository bei URGI-INRA Versailles sowie anderen internationalen wissenschaftlichen Datenbanken wie GrainGenes und Ensembl Plant.

Originalpublikation: The International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC), Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome; Science 17 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6403, eaar7191; DOI: 10.1126/science.aar7191

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