Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erstes Genom eines Wolfsmilchgewächses entziffert

28.09.2010
In einer Arbeitsversion liegt nun das Genom des Wunderbaums – besser bekannt als Rizinus - vor. Aufgrund ihrer Bedeutung als Öl- und Pharmapflanze ist diese Entschlüsselung von Bedeutung für Forschung und Wirtschaft.

Die Rizinuspflanze zählt zu den Wolfsmilchgewächsen (Euphorbiaceae), zu denen rund 6.300 Spezies gehören, darunter Maniok, Gummibaum und Purgiernuss. Als Quelle für Rizinusöl ist der Wunderbaum von großer ökonomischer Bedeutung.

Die Zusammensetzung von Rizinusöl ist aufgrund des hohen Anteils der seltenen Fettsäure Rizinolsäure ungewöhnlich und dadurch für verschiedene Industriezweige besonders interessant. Neben seiner medizinischen Bedeutung stellt Rizinusöl in der Kunststofferzeugung und chemischen Industrie die Grundlage zur Herstellung von PU-Schäumen, Gießharzen oder Klebstoffen dar. Auch die Anwendung als Energieträger zur Herstellung von Biodiesel wird verstärkt diskutiert.

Die Rizinussamen enthalten zudem das sehr giftige Protein Rizin, dessen Einnahme schon in kleinsten Mengen tödlich sein kann. Das Protein wirkt als Inhibitor der eukaryotischen Proteinbiosynthese. Da Rizin natürlich vorkommt und leicht zu isolieren ist, wird es auch als potenzielle biologische Waffe gefürchtet. Die genaue Kenntnis der genetischen und enzymatischen Vorgänge im Fettsäurestoffwechsel könnte in Zukunft zur Züchtung weniger toxischer Sorten führen.

Eine US-amerikanische Forschergruppe hat nun eine Arbeitsversion des vollständigen Genoms der Rizinuspflanze vorgestellt. Es ist das erste Wolfsmilchgewächs, für das eine Sequenz vorliegt. Damit wird das Rizinusgenom auch zur Matrix für Forschungsprojekte an anderen Wolfsmilchgewächsen.

Das Genom des Wunderbaums verteilt sich auf 10 Chromosomen. Bisher lagen nur sehr begrenzte genetische Informationen der Rizinuspflanze vor. Auch eine physikalische Karte existierte nicht. Eine physikalische Genomkarte versucht alle bereits vorhanden Genominformationen in Position und Ausrichtung auf den Chromosomen zu verankern. Insgesamt 2,1 Millionen Sequenzschnipsel wurden in der nun vorliegenden Arbeitsversion sequenziert und analysiert. Diese Schnipsel waren in Plasmiden oder Fosmiden verpackt und mithilfe eines sogenannten Assemblers (Celera Assemblers) anaylsiert. Hierdurch wurde die Basis einer kompletten Sequenz geschaffen.

Von der Sequenz zur Funktion

Bei der anschließenden computerbasierten Klassifizierung wurde die Sequenz mit allen verfügbaren Datenbanken verglichen. Das Ergebnis ergab ein für Pflanzen typisches Bild. Mehr als die Hälfte des Rizinusgenoms besteht aus repetitiven, also sich wiederholenden, DNA-Bereichen. Ein Drittel dieser repetitiven Elemente sind Retrotransposons. Weniger als 2 Prozent waren DNA-Transposons.

Insgesamt konnten ca. 31.000 funktionale Rizinusgene vorhergesagt werden. Knapp 60 Prozent davon konnten bereits bekannten Genfamilien zugeordnet werden. Diese bilden auf der funktionalen Ebene etwa 3.000 Proteinfamilien.

Ein Brennglas auf die Evolution

Zusätzlich nahmen die Forscher die Evolutionsgeschichte des Wunderbaums unter die Lupe. Damit hofften sie generelle Aussagen zur Polyploidisierung aller zweikeimblättrigen Pflanzen treffen zu können. Obwohl die Genomsequenz des Rizinus nur eine erste und noch stark fragmentierte Arbeitsversion darstellt, analysierten die Forscher die Entstehungsgeschichte der Chromosomensätze im Rizinus. Verschiedene Modelle der Vervielfältigung der Chromosomensätze bei Dicots (zweikeimblättigen Pflanzen) werden in der Wissenschaft diskutiert.

So geht ein Modell von einer Versechsfachung und ein anderes lediglich von einer Verdopplung der Chromosomen aus. Die Kontroverse konnte durch das Rizinusgenom etwas aufgelöst werden. Nach Aussage der Forscher wurde das Rizinusgenom im Laufe der Evolutionsgeschichte hexaploidisiert, also versechsfacht. Was wiederum aus einer Verdreifachung und einer anschließenden Verdopplung des Chromosomensatzes herrühren könnte. Viele dieser Bereiche und Chromosomen sind im Verlauf der Evolutionsgeschichte wieder verloren gegangen. Aber noch immer finden sich Spuren dieser Prozesse im Rizinusgenom. So fanden sich zahlreiche Genombereiche, welche eine Verdopplung aber auch solche die eine Verdreifachung erfahren haben.

Auch wenn solche Fragen nach akademischer Spielwiese anmuten, stehen dahinter doch ganz praktische Bezüge. Versuche „neue“ Pflanzen als Kulturpflanzen zu etablieren oder Biosynthesewege für bestimmte Nutzungsaspekte weiter zu optimieren, profitieren von diesem evolutionären Verständnis. Was evolutionär möglich war und wie diese Prozesse zur Optimierung, aber auch zu einem immensen Variantenreichtum geführt haben, sind Grundlagen für zahlreiche Forschungsprojekte.

Neue Einblicke in die Rizinbildung

Aufgrund der großen Bedeutung des Rizins wollten die Forscher auch die Genfamilie identifizieren, die unter anderem die Gene zur Rizinsynthese enthält. Aufgrund von in der Vergangenheit bei anderen Studien durchgeführten Southern-Blot-Hybridisierungen waren bisher 6-8 Gene dieser Genfamilie bekannt. Die amerikanischen Wissenschaftler fanden bei der automatischen Annotation (Link zu Wissen) inklusive Pseudogenen und Genfragmenten jedoch 28 mutmaßliche Gene mit Relevanz für die Rizinbiosynthese. Die Länge dieser Gene variiert sehr stark. Die Variabilität der durch diese Gene kodierten Proteine reicht von 66 bis 584 Aminosäuren.

Da Rizinussamen auch als Ölsaat für die Biokraftstofferzeugung diskutiert werden, suchten die Forscher nach Genen der Fettsäurebiosynthese. Insgesamt 71 potentielle Gene konnten auf Grund ihrer Sequenzähnlichkeiten als Gene in der Biosynthese von Fettsäuren und Triglyceriden identifiziert werden. Nach einer tiefergehenden manuellen Analyse blieben 67 Kandidatengen für weitergehende Untersuchungen übrig. Da sich in der Rizinuspflanze nicht nur ein Enzym zur Synthese der Rizinolsäure entwickelt hat, sondern auch die Fähigkeit, synthetisierte Ölsäure effizient in ihren Samen zu speichern, konzentrierten sich die Forscher auf wichtige Schlüsselgene. Überraschenderweise liegen die meisten dieser Gene nur in einer einfachen Kopie im Genom vor. Dies ist überraschend, da ja weite Teile des Genoms auch heute noch dupliziert oder sogar versechsfacht vorliegen.

Die Ertragssicherheit im Fokus

Bei der Analyse von Krankheitsresistenzen im Genom des Wunderbaums identifizierten die Wissenschaftler 121 Proteine mit Relevanz. Größtenteils handelt es sich um leucinreiche Gene bzw. Proteine. Da das Rizinusgenom das vorerst erste Genom eines Wolfsmilchsgewächs ist, wird dieses auch die Forschung zu Maniok (Cassava) oder dem für die Naturkautschukproduktion wichtigem Gummibaum (Hevea brasiliensis) beflügeln. Der Anbau von Hevea brasiliensis ist weltweit durch Krankheitserreger gefährdet. So bedroht vor allem in Südamerika ein die Blattfleckenkrankheit verursachender Schlauchpilz (Microcyclus ulei) den Anbau von Gummibäumen. Da es im Moment keinen adäquaten Ersatz für die Kautschukproduktion gibt, suchen Forscher weltweit fieberhaft nach Resistenzgenen.

Evolution im Brennglas der Genomforschung

Die analysierten Sequenzen des Wunderbaumgenoms bieten nicht nur für Wolfsmilchgewächse, sondern generell eine wichtige Grundlage zur Erforschung der Evolution von Genomen. Neben dieser Bedeutung für die vergleichende Genomforschung und den Einblicken in die Synthese und Speicherung von Fettsäuren, ist es auch die Synthese des hochtoxischen Rizins, welche die Forscher in ihren Bann zieht. So verspricht die Entschlüsselung des Wunderbaumgenoms auch verbesserte diagnostische und forensische Methoden beim Nachweis von Rizin. Aber auch die Identifikation neuer, z.B. weniger toxischer Sorten könnte zukünftig erleichtert werden. Nicht zuletzt ergeben sich Inputs für völlig neue Anwendungsgebiete. So kann die Produktion von Biotreibstoff und schwefelfreien Schmierstoff-Zusätzen zur Kompensation fossiler Rohstoffe eine wichtige Hilfestellung erhalten.

Quelle:
Agnes P Chan et al. (2010): Draft genome sequence of the oilseed species Ricinus communis. Nature Biotechnologie, Volume 28, Number 9, p. 951-956, doi:10.1038/nbt.1674

| Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.Pflanzenforschung.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht »ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern
18.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

nachricht Intelligentes Lademanagement entwickelt – Forschungsprojekt ePlanB abgeschlossen
18.10.2017 | Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise