Züchtung leicht gemacht mit Markern auf Transkriptomebene

Nutzpflanzen sollen möglichst resistent gegen biotischen und abiotischen Stress sein und dazu hohe Ernteerträge einbringen. Diese Eigenschaften zu optimieren, ist Aufgabe der Pflanzenzüchter. Die Assoziationsgenetik ist dabei ein wichtiges Werkzeug, mit dem Züchter schnell und effizient Bereiche im Genom abstecken können, die bestimmte Merkmale kontrollieren.

So erhalten sie molekulare Marker, mit denen sich die gezielte Zucht bestimmter Eigenschaften wesentlich beschleunigen lässt. Bei diesem Verfahren spricht man von der markergestützten Selektion (engl. Marker assisted selection, MAS). Theoretisch wäre die Zuordnung eines Markers zu einer bestimmten Eigenschaft ganz einfach, nur die riesigen, teilweise polyploiden Genome vieler Nutzpflanzen bereiten den Züchtern Probleme.

Erschwerend kommt hinzu, dass viele züchtungsrelevante Eigenschaften polygen, also durch mehrere Gene, gesteuert sind. „Für viele Nutzpflanzen haben wir noch keine Marker, weil ihre Genome so komplex sind und ihre Analyse mit hohen Kosten verbunden ist“, erklärt Prof. Ian Bancroft, Leiter der Studie mit Markern auf Transkriptomebene am John Innes Center in Norwich, England. Sein Team aus Wissenschaftlern aus Industrie und Forschung arbeitete an der Lösung dieses Problems, die es kürzlich im Fachmagazin Nature Biotechnology vorstellte.

„Wir haben erfolgreich Marker entwickelt, die ausschließlich auf Sequenzen exprimierter, also biologisch wirksamer Gene beruhen“, so Bancroft. Auf mRNA-Ebene zu arbeiten bedeute, die gesamte Genomsequenz gar nicht kennen zu müssen, um verlässliche Marker zu generieren, so die Wissenschaftler. Derartige Marker könnten im Grunde in jeder Nutzpflanzenart bestimmt werden, auch in Pflanzen mit komplexen Genomen wie Weizen oder Raps. Dies gelte selbst für Eigenschaften, die auf Genexpressionsbene reguliert würden, beispielsweise durch epigenetische Modifikationen, schreiben die Wissenschaftler in ihrer Studie.

Als „Assoziations-Transcriptomics“ bezeichnen die Wissenschaftler das Prinzip ihrer Vorgehensweise, auch bei Pflanzen mit unbekanntem Gesamtgenom aussagekräftige Marker zu finden. Anstatt genomische DNA sequenzieren die Forscher einfach das Transkriptom, also die mRNA der Pflanze und erfassen so automatisch alle aktiven Gene. Jeder Marker im Transkriptom wird einer bestimmten Variation in Gensequenz (als SNP Marker) und Genexpression (als Genexpressionsmarker) zugeordnet, die mit der Ausprägung einer Eigenschaft korrelieren. Die allotetraploide Pflanze Brassica napus (Raps), die zwei Genome enthält, diente den Forschern als Modellpflanze mit komplexem und noch nicht gänzlich bekanntem Genom, aber einer gut strukturierten SNP-Karte. Raps ist jedoch nicht nur Modellpflanze, sondern eine der wichtigsten Kulturpflanzen in Europa. In Deutschland ist Raps die Ölpflanze Nr. 1. Auf einer Fläche von ca. 1,3 Mio. Hektar wird in Deutschland Raps für Biokraftstoffe, die Ernährungswirtschaft und als wichtige Futterpflanze angebaut.

Derzeit erproben die Forscher ihre neuartige Züchtungsmethode in Zusammenarbeit mit dem auf Pflanzenzucht spezialisierten Unternehmen Limagrain, indem sie versuchen, verlässliche Marker für Rapshybride zu generieren. Das war bisher aufgrund fehlender Marker und Technologie nicht möglich gewesen. Prinzipiell lassen sich diese Ergebnisse auch auf andere Nutzpflanzengenome übertragen und werden helfen, Züchtungsprozesse in diesen Pflanzen maßgeblich zu beschleunigen.
Quelle:

Harper, AL. et al. (2012): Associative transcriptomics of traits in the polyploid crop species Brassica napus. Nature Biotechnology (22. Juli 2012), doi: 10.1038/nbt.2302.