Pflanzen-Genome verstehen Forscher machen Getreide fit für die Zukunft

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Wie wird Weizen ertragreicher? Und was schützt Hafer vor Dürrestress? Diesen Fragen gehen Forscher am Helmholtz Zentrum München nach. Durch die Entschlüsselung des Pflanzengenoms wollen sie gezielt ertragreichere und widerstandsfähigere Getreidesorten züchten.

Wir Menschen wären möglicherweise Nomaden geblieben, hätten wir nicht Weizen, Hafer, Gerste und andere Getreidesorten für uns entdeckt. Vor etwa 10.000 Jahren legten der Getreideanbau und die Nutztierhaltung den Grundstein für das sesshafte Leben. Bis heute sichert der Getreideanbau die Ernährung zahlreicher Menschen auf der gesamten Welt. Doch nach 10.000 Jahren befinden sich diese wichtigen Lebensmittel selbst im Überlebensmodus: Klimawandel, Schädlinge und Krankheiten bedrohen die globale Ernährungssicherheit.

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Damit die Ära der Ähren nicht der Vergangenheit angehört, haben sich Wissenschaftler der Forschungsgruppe Pflanzengenome und Systembiologie von Helmholtz Munich genauer mit Getreide befasst, unter anderem mit Weizen: Um die stetig wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, müssten wir eigentlich viel mehr Weizen produzieren – doch das gestaltet sich bei gleichbleibender oder sogar reduzierter Anbaufläche und unter den zunehmend extremen Bedingungen des Klimawandels schwierig. Um das Grundnahrungsmittel Weizen zukunftssicher zu machen, untersuchten die Forschenden zunächst sein Genom. Denn nur, wenn Züchter genau wissen, welche Gene für welche Eigenschaften des Weizens verantwortlich sind, können sie resistentere und ertragsstärkere Sorten entwickeln.

Warum Weizen viel komplexer ist als der Mensch

Unter der Leitung von Prof. Klaus F. X. Mayer nahmen sich die Forschenden bei Helmholtz Munich gemeinsam mit dem „10+ Wheat Genomes Project“ einer wissenschaftlichen Herkulesaufgabe an: der Entschlüsselung und Sequenzierung des Genoms von 15 Weizensorten aus den wichtigsten globalen Züchtungsprogrammen. Die Herausforderung dabei: Im Vergleich zum menschlichen Genom ist das Weizengenom deutlich komplexer. Zwar hat Weizen weniger Chromosomenpaare als der Mensch, doch diese sind viel größer und in dreifacher Ausführung vorhanden. Zudem ist die Anzahl der Gene erheblich größer: Während der Mensch etwa 20.000 Gene hat, verfügt Weizen über bis zu 125.000 Gene. Darüber hinaus sind diese Gene in langen, sich wiederholenden und verschachtelten Elementen angeordnet.

Die Entschlüsselung des Weizen-Genoms war ein Puzzlespiel der besonderen Art, das dem internationalen Weizen-Sequenzierkonsortium (IWGSC) erst 2018 gelang – wobei Helmholtz Munich mit seiner jahrzehntelangen Expertise einen wesentlichen Beitrag leistete. Die Forschenden um Mayer konzentrierten sich im Wesentlichen auf die Extraktion und funktionelle Analyse aller Gene sowie auf die Zusammensetzung und Dynamiken des gesamten Genoms und seiner Subgenome. Ein besonderes Augenmerk legte die Forschungsgruppe auf die so genannte Polyploidie, also das Vorhandensein mehrerer (Sub-)Genome und die Unterschiede sowie die teilweise Dominanz eines Subgenoms gegenüber den anderen.

Sowohl die Forschung als auch die Züchtung profitieren von diesem neuen Wissen über die Wechselwirkungen im Genom. Nun können Weizensorten identifiziert und gezüchtet werden, die gegen Hitze, Dürre und Schädlinge resistent sind, hohe Erträge liefern und möglichst keine Allergien auslösen oder Stoffwechselkrankheiten wie Zöliakie begünstigen.

Forschung zum Trendgetreide Hafer

Hafer als Lebensmittel für den Menschen war ursprünglich ein Zufallsprodukt. Er wurde erst vor etwa 3.000 Jahren zwischen Weizen, Emmer und Gerste in Anatolien entdeckt, ist heute aber nicht mehr wegzudenken.

Hafer ist eine Quelle vieler gesunder Inhaltsstoffe, lässt sich nachhaltiger anbauen und benötigt weniger Dünger und Pestizide als andere Getreidesorten. Doch auch hier gilt: Erst die vollständige Entschlüsselung des Genoms hat ihn zum Superstar unter den Getreiden gemacht.

Im Jahr 2022 gelang Nadia Kamal, Manuel Spannagl und Mayer von Helmholtz Munich die vollständige Sequenzierung des Hafergenoms. Das Genom des Hafers ist mehr als dreimal so groß wie das des Menschen und setzt sich aus den Genomen von drei Vorfahren zusammen, was die Genomarchitektur noch komplexer macht.

Die Sequenzierung geschieht insbesondere in so genannten „Pan-Genom-Projekten“, bei denen das Erbgut einer Vielzahl von verschiedenen Hafersorten entschlüsselt und miteinander verglichen wird. Diese Art der Analyse ermöglicht es, spezifische Gene, wie etwa solche für Resistenz gegenüber Schädlingen, zu identifizieren, um sie später gezielt in Kultursorten einzukreuzen.

Als nächsten Schritt erforscht Kamal die molekularen Grundlagen der Stressresistenz gegen Dürre bei Hafer. Für ihr Projekt „Resist“ hat sie eine Förderung des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten. Hafer ist besonders anfällig für Dürrestress; unterschiedliche Niederschlagsmengen während der Wachstumsphase führen zu schlechteren Ernten. Ihr Ziel ist die Entwicklung besserer Hafersorten, die auch unter Dürrebedingungen gut gedeihen können.

Originalpublikationen:

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; DOI: 10.1126/science.aar7191

Kamal, N., Tsardakas Renhuldt, N., Bentzer, J. et al.: The mosaic oat genome gives insights into a uniquely healthy cereal crop. Nature 606, 113–119 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04732-y

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