Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie moderne Sequenziertechnologien die Pflanzenzüchtung revolutionieren

18.10.2011
Wer verstehen will, wie verschiedene Eigenschaften mit dem genetischen Code einer Pflanze verknüpft sind, untersucht am besten unterschiedliche Ausprägungen dieser Eigenschaften und die dazugehörigen Genome innerhalb einer Art. Dies geschah kürzlich mit der Modellpflanze Arabidosis thaliana. Die Ergebnisse sind aufschlussreich und viel versprechend für die Pflanzenzüchter.

Charles Darwin schrieb einst von den „endlosen Formen größter Schönheit“, als er von den Arten sprach, die durch die natürliche Selektion entstanden sind. Seine Worte beschreiben aber auch die genetischen Variationen innerhalb einer Art, wie sie beispielsweise bei der sehr anpassungsfähigen Ackerschmalwand (Arabidosis thaliana) vorkommen.

Arabidosis thaliana wird nicht ohne Grund in zahlreichen Forschungslaboren weltweit als Modellpflanze eingesetzt. Ihr Genom ist im Gegensatz zu vielen Kulturpflanzengenomen winzig klein, ihre Generationszeit sehr kurz und ihre Wachstumsansprüche sind leicht zu befriedigen. Für Gärtner hingegen ist die enorme Anpassungsfähigkeit der unscheinbaren Pflanze ein Gräuel. Arabidopsis ist für sie ein „Unkraut“, dem nur schwer Herr zu werden ist.

Individuen einer Art: Gleich, aber doch verschieden

Immer wieder verkünden die Medien, das Genom eines bestimmten Lebewesens sei entziffert. Diese Genomsequenzen beruhen aber meist nur auf der Basenabfolge eines einzigen bzw. sehr weniger Individuen dieser Art. Innerhalb einer Art gibt es jedoch große genetische Variationen. Gerade im Reich der Pflanzen sind diese besonders interessant, denn als Schlüssel zu widerstandsfähigeren und ertragreicheren Sorten bilden sie die Grundlage der Pflanzenzüchtung. Da drängt sich die Frage auf, warum Wissenschaftler nicht einfach mehrere Individuen einer Art sequenzieren? Bis vor wenigen Jahren waren Erbgutbestimmungen extrem langwierige und teure Unterfangen. Erst die neue Generation der modernen Sequenziermethoden, die kostengünstig und schnell arbeitet, macht es Wissenschaftlern möglich, die komplette genetische Mannigfaltigkeit innerhalb einer Art zu untersuchen.

Von einer Referenz zum universellen Genom

Die Referenzgenomsequenz von Arabidosis thaliana wurde im Jahr 2000 als erstes vollständiges und in hoher Qualität vorliegendes Pflanzengenom publiziert. Kürzlich folgten die Genomsequenzen zahlreicher unterschiedlicher Arabidopsis-Arten. Um herauszufinden, wie die weltweit verbreitete Arabidopsis mit unterschiedlichen Extrembedingungen fertig wird, schlossen sich weltweit elf Forscherteams zum sogenannten 1001 Genomprojekt zusammen. Welchen Nutzen können Wissenschaftler daraus ziehen?

Offensichtlich verfügt die unscheinbare Pflanze über ein sehr flexibles Erbgut. Anders ist ihre hohe Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umweltbedingungen nicht zu erklären. Vergleiche von Genomsequenzen verschiedener Arabidopsis-Arten können Hinweise darauf geben, welche Faktoren das Genom beeinflusst haben, sich zu verändern. Außerdem können Wissenschaftler mit Hilfe dieser Sequenzen die genetischen Grundlagen der adaptiven Eigenschaften eines Organismus erforschen. Dies sollte in Zukunft auch die Verknüpfung bestimmter Phänotypen mit den entsprechenden Genotypen erleichtern, auch wenn es um komplexe Eigenschaften geht. Diese werden in der Regel von mehreren bis zu vielen hundert Genen gleichzeitig beeinflusst werden. Die in Arabidopsis gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse lassen sich dann auf Nutzpflanzen mit weitaus größeren und komplizierteren Genomen übertragen.

Ein neuer Ansatz: Genomsequenzen unabhängig zusammenfügen

In einer kürzlich im Fachmagazin „Nature“ veröffentlichten Studie wählten Wissenschaftler einen neuen Ansatz. Dabei re-sequenzierten sie verschiedene Arten von Arabidopsis. Es ist bisher technisch nicht möglich, ein Genom am Stück zu sequenzieren. Wissenschaftler entschlüsseln den Code von Bruchstücken und fügen diese anschließend wieder zusammen. Bisher nutzten sie dazu immer ein Referenzgenom als Vorlage. In Fall von Arabidopsis ist dies das im Jahr 2000 publizierte und seitdem kontinuierlich verbesserte Genom. Im nun gewählten Ansatz versuchen die Forscher, die unterschiedlichen Genomabschnitte möglichst unabhängig voneinander zusammenzusetzen. Und dieses Vorgehen verändert den Fokus einer vergleichenden Genomanalyse gewaltig: Anstatt ein oder mehrere Genome mit nur einer Referenzgenomsequenz zu vergleichen, verglichen die Wissenschaftler stattdessen viele Genome untereinander. Auf diese Weise wird zwar das Zusammenführen komplizierter. Andererseits lassen sich so Sequenzvariationen, die über ein paar wenige Nukleotide hinausgehen, erfassen und so neuartige Variationen des Genoms innerhalb einer Art aufdecken.

Mit Hilfe dieses neuen Ansatzes fanden die Forscher deutlich mehr Unterschiede in den Genomen als mit den bisher etablierten Methoden, beispielsweise beträchtliche Unterschiede von Punktmutationen im Genom von Arabidopsis thaliana Biotypen. Neben diesen sog. Polymorphismen der SNPs wurden durch diese Methode ebenso bisher unbekannte Unterschiede in der Anzahl von Genkopien detektiert. Ein Teil der zahlreichen Arabidopsisvariationen geht auch auf das Konto chemischer Veränderungen methylierter Cytosinbasen. Während epigenetischer Veränderungen der DNA wird Cytosin häufig methyliert. Durch die Methylierung der Basen ändert sich die Aktivität der Genexpression, ohne dabei die DNA in ihrer Struktur zu beeinflussen.

Genetische Variabilität schafft Anpassungsnischen

Arabidopsis scheint ihre größte Variabilität im Bereich der Abwehr und Anpassung an ihre Umwelt zu haben. Bei genauerem Hinsehen zeigte sich, dass eine kleine, nur 100 Basenpaar lange Gensequenz für die beträchtliche genetische Variation von 18 natürlich vorkommenden Arabidopsisarten verantwortlich ist. Dieser kurze Genabschnitt kontrolliert die Expression eines angrenzenden Gens. Je nachdem wie dieses „Haupt“-Gen abgelesen wird, „reagieren“ andere Gene, die hauptsächlich an der Pathogenabwehr oder dem Blühverhalten beteiligt sind.

Bald schnellere und gezieltere Züchtung möglich?

Das Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis schürt die Hoffnung, dass die Anwendung von Hochdurchsatz-DNA-Sequenziermethoden und „Genomerfassungstechnologien“ in Zukunft dazu führen wird, dass auch große Nutzpflanzengenome in entsprechender Qualität re-sequenziert werden. Erste Ansätze in diese Richtung gibt es bei Reis oder Mais. In einer Studie mit Reis untersuchten Wissenschaftler 517 verschiedene Reisarten, um genetische Variationen für 14 agronomisch wichtige Eigenschaften aufzuspüren. Derartige Ansätze könnten die Pflanzenzüchtung revolutionieren: Wenn phänotypische Variationen bestimmten Genomsequenzen zugeordnet werden können, fällt Züchtern die sonst langwierige Auswahl der Zuchtlinien leicht. Sie könnten so beim Erschaffen neuartiger Pflanzenvariationen, die besser an bestimmte Umweltfaktoren angepasst oder ertragreicher sind, viel Zeit sparen.

Quellen:
Erste Sequenzierung des Arabidopsis Genoms: Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature. 2000 Dec 14;408(6814):796-815. doi:10.1038/35048692.

Bevan M., Genomics: endless variation most beautiful. Nature. 2011 Sep 21;477(7365):415-6. doi: 10.1038/477415a

J. Cao et al. (2011) Whole-genome sequencing of multiple Arabidopsis thaliana populations. Nature Genetics, doi: 10.1038/ng.911

X. Gan et al. (2011) Multiple reference genomes and transcriptomes for Arabidopsis thaliana. Nature, doi: 10.1038/nature10414.

K. Schneeberger et al. (2011) Reference-guided assembly of four diverse Arabidopsis thaliana genomes. Proceedings of the National Academy of Sciences of USA 108, 10249-10254, doi: 10.1073/pnas.1107739108.

| Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/journal/aktuelles/wie-moderne-sequenziertechnologien-die-pflanzenzuechtung-revolutionieren?piwik_campai

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Agrar- Forstwissenschaften:

nachricht Julius Kühn-Institut etabliert Forschungszentrum für landwirtschaftliche Fernerkundung (FLF)
22.03.2017 | Julius Kühn-Institut, Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen

nachricht Im Drohnenflug dem Wasser auf der Spur
03.03.2017 | Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Agrar- Forstwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen