Gen-Schatz aus der Wildnis
Eine reife Ähre von Hordeum bulbosum. Sie wächst natürlicherweise am Mittelmeer und ist der nächste wilde Verwandte der Kulturgerste. Ihr Erbgut enthält wertvolle Gene, die künftig gezielt in moderne Sorten eingekreuzt werden können.
Gen-Schatz aus der Wildnis
Wie das Erbgut von Wildgerste die Züchtung beflügeln kann
Ein Forschungsteam des IPK Gatersleben hat das Pangenom der Wildgerste Hordeum bulbosum entschlüsselt – und damit eine zentrale Grundlage für die Gerstenzüchtung der Zukunft geschaffen.
Eine reife Ähre von Hordeum bulbosum. Sie wächst natürlicherweise am Mittelmeer und ist der nächste wilde Verwandte der Kulturgerste. Ihr Erbgut enthält wertvolle Gene, die künftig gezielt in moderne Sorten eingekreuzt werden können.
Hordeum bulbosum wächst in der Nähe des Mittelmeers, sieht der Kulturgerste ähnlich, hat jedoch in der Pflanzenzüchtung bisher kaum eine Rolle gespielt. Dabei enthält sie wertvolle genetische Merkmale – etwa Resistenzen gegen Krankheiten oder Umweltstress. Doch: Der Einsatz dieser Gene ist bislang mühsam, weil das Erbgut der Wildgerste komplex und wenig erforscht ist.
Ein IPK-Forschungsteam hat aber mithilfe modernster Sequenziertechniken und bioinformatischer Analysen ein vollständiges Pangenom von Hordeum bulbosum erstellt – basierend auf zehn repräsentativ ausgewählten Genotypen, deren Erbgut in insgesamt 32 verschiedene Chromosomensatz-Varianten („Haplotypen“) aufgelöst wurde. Das Besondere: Die Forschenden konnten die Erbinformation dieser Pflanzen bis auf die Ebene einzelner elterlicher Chromosomensätze entschlüsseln – eine Auflösungstiefe, die in der Pflanzenforschung bislang selten erreicht wurde.
Zwei Ploidiestufen, zwei Ursprünge
Die Untersuchungen ergaben, dass Hordeum bulbosum in zwei genetischen Formen vorkommt: diploid (mit zwei Chromosomensätzen) und autotetraploid (mit vier). Überraschenderweise haben sich die tetraploiden Linien unabhängig voneinander entwickelt – mindestens einmal in Asien vor über einer Million Jahren und ein zweites Mal in Griechenland in deutlich jüngerer Zeit. Zwischen beiden Formen besteht bis heute ein genetischer Austausch. Diese doppelte Herkunft erhöht nicht nur die genetische Vielfalt, sondern bietet auch einen wichtigen Hebel für die Züchtung – denn Polyploidie kann helfen, mehr Merkmale in eine Pflanze einzubringen.
Vielfalt im Detail: Struktur, Gene, Evolution
Neben der Entschlüsselung der Abstammung enthüllt das Pangenom große strukturelle Unterschiede zwischen H. bulbosum und der Kulturgerste Hordeum vulgare. So ist das Wildgersten-Genom rund 20 Prozent kleiner – vor allem, weil es weniger mobile DNA-Elemente (Transposons) enthält. Gleichzeitig sind bestimmte Chromosomenabschnitte länger als bei der Kulturgerste. Andererseits hat sich das Genom der Kulturgerste hauptsächlich an den Enden der Chromosomen vergrößert, was vor allem auf der Einlagerung mobiler DNA-Elemente beruht. Die Studie zeigt zudem, dass H. bulbosum eine besonders hohe genetische Diversität aufweist – mit über 220 Millionen Einzelnukleotid-Varianten (SNPs). Diese Vielfalt ist vergleichbar oder sogar größer als bei der wilden Urform der Kulturgerste.
Resistenzgen-Cluster entschlüsselt
Ein praktisches Anwendungsbeispiel liefert das Team mit der Analyse des Resistenzlocus Ryd4Hb, der Pflanzen gegen das Gerstengelbverzwergungsvirus schützt. Im Pangenom fanden sich viele strukturelle Varianten dieses Genclusters und Hinweise auf funktionale Unterschiede. Die Erstellung des Pangenoms ermöglicht es nun, genetische Marker zu entwickeln, um Wildgen-Abschnitte in Züchtungsprogrammen zu verfolgen. Zudem enthalten die „jüngeren“ tetraploiden Linien weniger schädliche Mutationen als alte Linien – sie könnten also besonders geeignete Spender für die Züchtung sein.
Eine solche systematische genomische Charakterisierung von Kulturpflanzen und ihren wilden Verwandten hilft dabei, pflanzengenetische Ressourcen für die Verbesserung von Kulturpflanzen zugänglicher zu machen. Sie stellt der Züchtung ein präzises Werkzeug zur Verfügung – nicht nur für Resistenzen, sondern auch für die genetische Diversifizierung der Kulturgerste insgesamt.
Quelle: pflanzenforschung.de
