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 Plant3, Zukunftsstrategie für Landwirtschaft, Fischerei und Weiterverarbeitung in Nordosdeutschland
25.05.2018 | Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

nachricht Die letzten Urwälder Europas
25.05.2018 | Humboldt-Universität zu Berlin

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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics