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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

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