Erbgut des „Pasta-Weizens“ kartiert – neue Perspektiven für die Züchtung

Ein internationales Konsortium hat in Nature Genetics die vollständige Genomsequenz des Hartweizens veröffentlicht. Ihre Arbeit liefert nicht nur Einblicke in die Entwicklung dieses Getreides hin zur heutigen Kulturpflanze, sondern zeigt auch Möglichkeiten auf, die Pflanze durch gezielte Züchtung zu optimieren. Federführend beteiligt waren Forschende des Helmholtz Zentrums München, des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben sowie italienische und kanadische Institutionen.*

Seit Jahrtausenden kultivieren Menschen den Hartweizen (Triticum durum). Er ist neben Weichweizen (Triticum aestivum) die wirtschaftlich bedeutendste Art. Aus Hartweizen entstehen nicht nur Bulgur oder Couscous, sondern auch italienische Teigwaren wie die Pasta. Moderne Sorten des Getreides sind aus Wildem Emmer (Triticum dicoccoides) durch Domestizierung und Selektion hervorgegangen. Während das menschliche Erbgut rund 20.000 Gene enthält, fanden Forscherinnen und Forscher beim Harzweizen das Dreifache, nämlich 66.559 Gene. Zu 80 Prozent besteht die Genomsequenz aus sich wiederholenden Elementen, sogenannten Repeats.

„Unsere Analyse der Sorte ‚Svevo‘ zeigt, wie sich das Genom durch Züchtungen verändert hat“, sagt Prof. Dr. Klaus Mayer. Er ist Leiter der Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome (PGSB) am Helmholtz Zentrum München. „Vergleiche mit dem bereits 2017 veröffentlichten Genom des Wilden Emmers** zeigen, in welchen Bereichen es Unterschiede gibt.“ Das Team fand mehrere, teils überlappende Regionen, die sich durch menschliche Aktivitäten verändert hatten. Diese Bereiche sind über das gesamte Genom verteilt.

Die Wissenschaftler fanden allerdings heraus, dass durch die Züchtung auch unerwünschte Eigenschaften selektiert wurden: Enthält der Boden Cadmium, reichert sich das Schwermetall im modernen Hartweizen an, aber nicht im Wilden Emmer. „Verantwortlich ist ein Gen namens TdHMA3-B1, das im Hartweizen – im Gegensatz zu Emmer – seine Funktion verloren hat“, erklärt Dr. Manuel Spannagl, Gruppenleiter in der Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome am Helmholtz Zentrum München. TdHMA3-B1 codiert für ein Protein, das als Metalltransporter wirkt. Es eliminiert Cadmium aus dem Emmer, aber nicht aus dem Hartweizen. „Hier zeigt sich, welchen Beitrag die Genomforschung zur modernen Zucht von Nutzpflanzen leistet“, sagt Spannagl. Mögliche Ziele seien, die Cadmiumbelastung durch gezielte Züchtung zu verringern, aber auch Sorten mit höherer Hitze- und Dürreresistenz zu generieren.

Weitere Informationen

*) Das Projekt wurde koordiniert vom CREA-Research Centre for Cereal and Industrial Crops, Foggia, Italien, vom National Research Council – Institute of Agricultural Biology and Biotechnology, Mailand, Italien, vom Crop Development Centre and Department of Plant Sciences, University of Saskatchewan, Canada, und von der Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome (PGSB) am Helmholtz Zentrum München

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Der Schwerpunkt der selbstständigen Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome (PGSB) ist die Genom- und Systemorientierte Bioinformatik pflanzlicher Genome. In diesem Rahmen werden Genomverschlüsselungen, Expressionsmuster, funktionelle und systembiologische Fragestellungen untersucht. PGSB verwaltet außerdem einen großen Datensatz pflanzlicher Genome in Datenbanken und macht diese zusammen mit vergleichenden Analysen der Öffentlichkeit zugänglich. PGSB gehört zum Institut für Bioinformatik und Systembiologie.

Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben ist eine außeruniversitäre, mit Bundes- und Ländermitteln geförderte Forschungseinrichtung und Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Am IPK forschen und arbeiten mehr als 500 Mitarbeiter/-innen aus über 30 Nationen. Zentrales Anliegen der wissenschaftlichen Arbeiten am IPK ist die Untersuchung der genetischen Vielfalt von Kultur- und verwandten Wildpflanzen und der Prozesse, die zu ihrem Entstehen geführt haben. Daraus abgeleitet erfolgt die Aufklärung der molekularen Mechanismen, die zur Ausprägung und Variation pflanzlicher Merkmale beitragen. Hieraus erwachsende Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung und Anwendung von Strategien zu einer vertieften Charakterisierung und darauf aufbauend zu einer wissensbasierten Nutzbarmachung der in der Genbank vorgehaltenen pflanzengenetischen Ressourcen.

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Originalpublikation:
Maccaferri, M et al (2019): Durum wheat genome reveals past domestication signatures and 2 future improvement targets. Nature Genetics. DOI: 10.1038/s41588-019-0381-3

Quelle: Sonja Opitz, Abteilung Kommunikation
Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

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