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Genom des Brotweizens sequenziert

Weizen
Weizen ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel. (Foto: Isabelle Caugant)

Weizen ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel der Menschheit – doch erst jetzt ist es Forschern gelungen, das Genom dieser Nutzpflanze vollständig zu kartieren. In 13-jähriger Arbeit hat ein Konsortium aus gut 200 Forschern aus 20 Ländern nun mehr als 100.00 Gene, vier Millionen Genmarker und zahlreiche Kontrollelemente im Erbgut des Brotweizens entschlüsselt. Bedeutung hat dieser Durchbruch vor allem für die Züchtung neuer, widerstandsfähiger Weizensorten. Denn Pilzerkrankungen und der Klimawandel machen gängigen Sorten immer mehr zu schaffen, wie die Forscher berichten.

Weizen (Triticum aestivum) ist der Rohstoff für Brot aller Art und bildet für rund ein Drittel der Menschheit das wichtigste Nahrungsmittel. 20 Prozent der Kalorien- und Proteinversorgung der Menschheit basiert auf Weizenprodukten – mehr als bei jedem anderen Nahrungsmittel. Zudem dient der Weizen als eine wichtige Quelle von Vitaminen und Mineralien. Doch das Getreide hat es schwer: Es reagiert empfindlich auf Trockenheit und Hitze und ganze Felder gehen durch Pilzkrankheiten wie den Weizenrost zugrunde. Verschlimmert wird die Lage zudem durch den Klimawandel. Wissenschaftler prognostizieren schon jetzt, dass sich gerade in den Weizenanbaugebieten Europas die Wetterextreme verdoppeln bis verdreifachen könnten. Umso dringender ist es daher, entsprechend widerstandsfähige Sorten zu entwickeln. Doch ohne genaue Kenntnis des Weizenerbguts ist es für Züchter schwer, gezielt und vor allem schnell die gewünschten Eigenschaften in die Zuchtstämme einzukreuzen.

Riesig und komplex

Das Problem: Das Weizengenom ist riesig und komplex. Es umfasst rund 16 Milliarden Basenpaare und ist damit fünfmal so umfangreich wie das menschliche Genom. Diese enorme Menge an Erbinformationen verteilt sich zudem auf drei Subgenome, die auf 21 Chromosomen liegen. Erschwerend kommt hinzu, dass 85 Prozent des Weizenerbguts aus sich wiederholenden Elementen bestehen. Das macht es schwer, einzelne Stücke des Genoms nach dem Sequenzieren wieder in der richtigen Reihenfolge zusammenzusetzen. „Die vollständige Sequenzierung des Genoms von Brotweizen wurde lange Zeit für unmöglich gehalten, weil es so enorm groß und komplex ist“, sagt Nils Stein vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Er ist Teil des aus mehr als 200 Forschenden bestehenden International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC), das sich dieser monumentalen Aufgabe dennoch gestellt hat. 13 Jahre lang benötigen die aus mehr als 20 Ländern stammenden Wissenschaftler dafür.

Jetzt ist es das Brotweizen-Genom erstmals nahezu vollständig kartiert. Die Forscher entzifferten den genetischen Code der Weizensorte „Chinese Spring“ und konnten so wertvolle Einblicke in die Organisation dieses komplexen Erbguts gewinnen. Die Sequenzierung zeigt die genaue Lage und Zusammensetzung von 107.891 Genen und ihre Verteilung auf die Chromosomen und Subgenome. Zudem identifizierten die Wissenschaftler mehr als vier Millionen molekulare Marker im Erbgut und zahlreiche DNA-Abschnitte, die für die Regulation der Genaktivität beim Weizen zuständig sind. In begleitenden Analysen gelang es den Forschern bereits, viele Gene und Genkopien bestimmten Funktionen und Geweben oder Zellen zuzuordnen. Sie stellten unter anderem fest, wo genetische Schaltkreise für die Blühzeit liegen und welche Gene eine Rolle für die Widerstandskraft des Getreides gegenüber Krankheiten spielen. Auch Gene für allergieauslösende Proteine des Weizens konnten die Wissenschaftler identifizieren.

Basis für neue Weizensorten

„Die Weizengenom-Sequenz gibt uns einen Einblick in den Motor dieses Getreides“, erklärt Rudi Appels von der University of Melbourne. „Was wir sehen, ist ein perfekt zusammengefügtes Erbgut, das dem Weizen vielfältige Variationen und eine Anpassung an verschiedenste Umwelten erlaubt. Gleichzeitig bietet es ihm genügend Stabilität, um unter verschiedenen klimatischen Bedingungen die für sein Überleben fundamentalen Strukturen zu erhalten.“ Ein begünstigender Faktor dafür ist unter anderem die flexible Zahl von Genkopien im Weizengenom, wie die Forscher berichten. Diese variable Zahl von „Sicherheitskopien“ und leicht veränderten Genvarianten könnte es dem Weizen erleichtern, spontan neue Stämme und Sorten zu bilden. In insgesamt sechs Fachartikeln haben die Wissenschaftler des IWGSC ihre Erkenntnisse zum Weizengenom nun zusammengefasst.

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„Das kolossale Weizengenom anzugehen war eine Herkules-Aufgabe“, sagt Cristobal Uauy vom britischen John Innes Centre. „Aber unsere Ergebnisse werden nun die gezielte Züchtung von dürretoleranteren oder krankheitsresistenteren Sorten leichter und effektiver machen. Wo wir zuvor nur einen groben Überblick hatten, können wir nun dank der neuen Genkarte ins Detail zoomen.“ Wichtig ist die Zucht neuer Weizensorten vor allem deshalb, weil der Bedarf an diesem Grundnahrungsmittel durch die wachsende Weltbevölkerung immer weiter zunimmt. Das IWGSC schätzt, dass bis 2050 jedes Jahr 1,6 Prozent mehr Weizen erzeugt werden müssen, um den steigenden Bedarf der Menschheit zu decken. Die Forscher hoffen, dass nun dank ihrer Erkenntnisse neue Weizensorten gezüchtet werden können, die besser an klimatische Herausforderungen angepasst sind, höhere Erträge liefern und den Anbau und die Verwertung des Weizens nachhaltiger machen. Dazu beitragen soll auch die Entschlüsselung weiterer landwirtschaftlich wichtiger Weizensorten, an der die Wissenschaftler des Konsortiums bereits arbeiten.

Quelle: International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC), Science, doi: 10.1126/science.aar7191

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