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Gerstensorten molekular charakterisiert

Genbanken: Der Weg zu optimierten Sorten

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Mehr als 22.000 Saatgutmuster der Gerste enthält die Genbank, die unter der Leitung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK Gatersleben) erstellt wurde. Das internationale Forschungsprojekt soll dabei helfen, solche Genbanken als bio-digitale Ressourcenzentren zu nutzen.

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Illustrierte Vielfalt unterschiedlicher Gerste-Sorten
Illustrierte Vielfalt unterschiedlicher Gerste-Sorten
(Bild: IPK Gatersleben)

Gatersleben – Um die genetische Vielfalt von Kulturpflanzen zu sichern und wissenschaftlich zu erforschen, werden in so genannten Genbanken Proben verschiedener Landrassen, Sorten und Wildformen gesammelt. Eines der weltweit umfassendsten Sortimente für viele Kulturpflanzen, darunter der Gerste, ist die bundeszentrale Ex-situ-Genbank am IPK Gatersleben.

Unter Führung des IPK Gatersleben arbeiten Forschende des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), des Julius Kühn Instituts (JKI), Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen Quedlinburg und der Georg-August-Universität Göttingen mit Teams aus Japan, China und der Schweiz zusammen.

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Effektive Nutzung in Forschung und Züchtung

Durch die internationale Kooperation konnte geklärt werden, wie umfassend das IPK-Weltsortiment der Gerste zusammengesetzt ist. Von jedem der über 22.000 Saatgutmuster wurde jeweils eine Einzelpflanze genotypisiert. Auf diese Weise konnten die Forscher gezielt genetische Duplikate in der Sammlung identifizieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten des Qualitätsmanagements aber auch eine effektive Nutzung der Sammlung in Forschung und Züchtung.

Pflanzenlinien, die eine vertiefende Betrachtung verdienen, lassen sich nach Aussage der Wissenschaftler so gezielter als bisher aufspüren.

Prof. Dr. Nils Stein (IPK Gatersleben und Georg-August-Universität Göttingen) sagt: „Mit dieser Veröffentlichung gelingt es, ein großes Sortiment einer weltweiten Sammlung in einer Genbank molekulargenetisch komplett zu beschreiben – mit anderen Worten, die weltweite natürliche Diversität einer der wichtigsten Kulturarten mit einem Blick zu erfassen.“ Dafür nutzten Stein und sein Team die Methode des Genotyping-by Sequencing (GBS).

Ankersequenz der Gerstensorte „Morex“

Grundlage der Arbeit bildet die vollständige DNA -Sequenz der Gerstensorte „Morex“. Diese liegt als Anker-Sequenz seit 2017 in hoher Qualität vor. Um die kompletten Genome sämtlicher Gerste-Muster und deren Wildformen zu charakterisieren, suchten die Forscher nach so genannten SNPs (Einzelnukleotidpolymorphismen). Insgesamt fanden sie über 171.000 dieser kleinen Variationen in der DNA, die jeweils nur ein einzelnes Basenpaar betreffen.

„Eine Dichte, die im Genom der Gerste (insgesamt 5 Milliarden Basenpaare) geeignet ist, kleinste Unterschiede aber auch Dopplungen zielsicher aufzuspüren“, so Stein weiter. „Valide Rückschlüsse auf Herkunft, Verbreitungsgebiet und Ähnlichkeiten sind so möglich. Durch die Digitalisierung und öffentliche Verfügbarkeit lassen sich die Ergebnisse dank eines modernen Datenbanksystems gezielt abfragen und mit den Passport-Daten der Genbanken aber auch mit eigenen Forschungs- und Züchtungsdaten kombinieren“, ergänzt der an der Studie gleichwertig beteiligte Dr. Martin Mascher vom IPK und iDiv.

Genetische Vielfalt nutzen und erhalten

Die Kombination von historischen Daten der Genbanken mit den molekularen Analysen zeigt, welche Möglichkeiten in Genbanken schlummern. Die Forscher sind sicher: Nur mit modernen Forschungsansätzen und Methoden sowie im Verbund mehrerer Teams kann es gelingen, den Schatz der genetischen Vielfalt zu nutzen und zu erhalten.

Prof. Dr. Frank Ordon vom Julius Kühn-Institut betont: „Da sich die Pflanzenzüchtung vermehrt auf wechselnde Umweltbedingungen wie Hitze, Trockenheit , neue Schaderreger , aber auch Veränderungen bezüglich des Dünge- und Pflanzenschutzmitteleinsatzes einstellen muss, sind detaillierte Kenntnisse über die genetische Variabilität und deren Nutzung eine Voraussetzung für die Züchtung angepasster Sorten. Gene, die für wichtige Eigenschaften codieren, lassen sich so in Landrassen oder verwandten Wildarten schneller auffinden und in der Züchtung nutzen“. Der praktische Wert einer Sammlung wie jener am IPK Gatersleben war bisher begrenzt, da umfassende genetische Informationen zu den Saatgutmustern fehlten. Dank der neuen Analyse ist für die Gerste nun eine gezieltere Datenbankabfrage zu den 22.626 Samenmustern möglich. Das im Projekt entwickelte und öffentlich zugängliche BRIDGE „Data Warehouse“ markiert den Startpunkt für ein bio-digitales Ressourcenzentrum.

Originalpublikation:Sara G. Milner et al.; Genebank genomics highlights the diversity of a global barley collection; Nature Genetics (2018). DOI: 10.1038/s41588-018-0266-x

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