Auf dem Weg zum Pan-Genom der Gerste

24.11.2020

Drei Jahre nach der Charakterisierung des ersten Gerste-Genoms ist ein internationales Team unter Führung von Wissenschaftlern des IPK nun auch der Entschlüsselung des sogenannten Pan-Genoms der Gerste einen erheblichen Schritt nähergekommen. Die Ergebnisse wurden jetzt im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht. Wie die Forscher dabei genau vorgegangen sind, was die neuen Erkenntnisse für die Züchtung bedeuten und welche Herausforderungen noch auf die Forscher warten, erklärt Prof. Dr. Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomik genetischer Ressourcen, im Interview.

Prof. Dr. Nils Stein Foto: IPK/ Andreas Bähring

 

  • Sie sind jetzt der Entschlüsselung des Pan-Genoms der Gerste einen großen Schritt nähergekommen. Worum genau geht es beim Pan-Genom?

Das Konzept des Pan-Genoms beschreibt das Phänomen, dass, entgegen ursprünglicher Annahmen aus Zeiten vor der Genomsequenzierung, verschiedene Individuen einer Art nicht exakt denselben Gehalt an Erbinformationen teilen. Vielmehr besitzen alle Individuen einen großen gemeinsamen Bestand geteilter Erbinformation (Gene), das sogenannte „Core-Genom“. Hinzu kommt ein „Variables Genom“, in dessen Zusammensetzung sich einzelne Vertreter einer Art mehr oder weniger stark unterscheiden können. Dieses enthält z.B. Gene, die durch Anpassung an bestimmte Umweltbedingungen selektiert wurden. Erst das Pan-Genom, das durch den Vergleich der Genome zahlreicher Pflanzen sichtbar wird, bildet letztlich die vollständige Genominformation einer Art sowie die vorhandene genetische Vielfalt, die für diese Art charakteristisch ist, in unserem Fall der Gerste, ab. Vereinfacht gesprochen geht es also darum, die Erbinformation in präzise Schnitt- und Teilmengen zu differenzieren.  

  • Wie lässt sich das Pan-Genom im Fall von Gerste charakterisieren? Und warum ist die Entschlüsselung so wichtig?

Um das Pan-Genom der Gerste zu beschreiben, benötigt man vollständige Genomsequenzen für genetisch sehr diverse Gerstegenotypen. Unserer Schätzung nach sind mindestens 50-100 vollständige Genomsequenzen erforderlich, um annähernd umfassend die Erbinformation der Kulturart Gerste inklusive aller Varianten zu beschreiben. Das ist sehr aufwändig, wenn man bedenkt, dass bereits die vollständige Entschlüsselung des Genoms einer Gerste lange Zeit als unmöglich angesehen wurde. Dies liegt daran, dass das Gerstegenom einen 80-90-prozentigen Anteil von Sequenzeinheiten in unterschiedlicher Länge besitzt, die sich z.T. hundert- oder tausendfach wiederholen können. Dies stellte die Bioinformatik bei dem Zusammensetzen der im Rahmen eines Genomsequenzierprojektes gewonnenen Sequenzschnipsel lange vor schier unlösbare Probleme. Die erste vollständige Entschlüsselung eines Gerstegenoms gelang erst 2017. Um die Erbinformation der gesamten Spezies Gerste zu verstehen, ist es nun erforderlich, das Pan-Genom zu entschlüsseln.

  • Wie sind Sie genau vorgegangen?
Den Ausgangspunkt für die Untersuchung bildeten die rund 22.000 Saatgutmuster der Gerste aus der bundeszentralen Ex-situ-Genbank am IPK. Deren Genome wurden mittels einer punktuellen DNA-Sequenzierung vor-charakterisiert. Anhand der so gewonnenen genetischen Diversitätsinformation wurden aus dieser großen Gruppe zunächst 20 Genotypen ausgewählt. Genotypen also, die sich genetisch jeweils möglichst stark voneinander unterscheiden.
  • Nach welchen Kriterien erfolgte die Auswahl?
Wichtigstes Merkmal bei der Auswahl war in der Tat ein möglichst großer genetischer Unterschied zwischen den Kandidaten. Dies überschnitt sich in der Regel mit einer sehr großen Vielfalt bzw. Distanz ihrer jeweiligen geographischen Herkunft. Zusätzlich achteten wir darauf, das typische Hauptmerkmale für Gerste wie z.B. Winter- oder Sommertyp, Nackt- oder Bedecktsamigkeit, zwei- oder mehrzeilige Ährenformen in der Liste der Genotypen vertreten waren.
  • Was hat Sie besonders überrascht?
Die einzelnen Genome unterscheiden sich teilweise erheblich in der Anzahl ihrer Gene sowie in der Anordnung und der Orientierung großer Abschnitte einzelner Chromosomen, also den Trägern der Erbinformation. Das ist wichtig zu wissen, denn diese „strukturellen“ Veränderungen des Genoms können eine unüberwindbare Hürde bei der Neukombination wichtiger Eigenschaften im Rahmen der Kreuzungszüchtung darstellen.
  • Welche weiteren Erkenntnisse hat die Untersuchung geliefert?
Wir fanden verblüffende Unterschiede in der linearen Anordnung der Erbinformation in den Chromosomen - sogenannte Genomstruktur-Unterschiede. Zwei dieser Strukturvariationen, sogenannte Inversionen, also entgegengesetzte Anordnungen von Erbinformation in zwei Genomen, waren dabei besonders interessant. In einem Fall konnte für die Strukturänderung ein Bezug zur Mutationszüchtung der 1960er Jahre hergestellt werden, in dessen Folge sich die Veränderung unbemerkt durch Züchtung bis in heutige Sorten ausgebreitet hat. Im zweiten Fall steht die beobachtete Genomstrukturvariation mit der Umweltanpassung während der historischen, nordwestlichen Ausbreitung des Gerste-Anbaus nach Mittel- und Nordeuropa in Beziehung. Die Beschreibung solcher Inversionen in Gerste ist neu.
  • Warum sind diese Inversionen so wichtig?
Sie können eine entscheidende Rolle im züchterischen Prozess spielen, weil sie Rekombination verhindern, also die züchterische Neukombination gewünschter Merkmale unmöglich machen. Doch nicht nur das: Diese natürlich auftretenden oder künstlich ausgelösten Inversionen sind Zeugnis für eine erhebliche Dynamik in der Genomorganisation dieser in Europa zweitwichtigsten Kulturart. 
  • Wie kann die Züchtung von diesen neuen Erkenntnissen profitieren?
Wir haben eine neue Datengrundlage geschaffen und einen neuen Schatz an Informationen für die Züchtung erschlossen. So könnten nunmehr molekulare Marker genutzt werden, um strukturelle Genomunterschiede bei der Gerste Züchtung gezielt zu berücksichtigen.
  • Letztlich geht es aber vor allem darum, auch die Gerste auf die Herausforderungen durch den Klimawandel vorzubereiten, oder?
Ja, das stimmt. Das Problem ist folgendes: Die Gerste, die wir heute kennen, ist gezielt auf möglichst hohe Erträge unter stabilen, mitteleuropäischen Umweltbedingungen gezüchtet worden. Das hat lange Zeit sehr gut funktioniert. Eine Folge der modernen Pflanzenzüchtung ist jedoch grundsätzlich eine Abnahme der genetischen Vielfalt der angebauten Sorten. Und genau das holt uns heute in Zeiten des Klimawandels ein. Umweltbedingungen sind nicht mehr so stabil wie gewohnt. Neue Umweltphänomene, wie z.B. große Hitze während der Blüte, Dürre, oder auch Niederschläge mit sehr großen Wassermassen in kürzesten Zeiträumen, treten häufiger und in kürzeren Abständen auf, was sich bereits in den letzten Jahren in deutlich geringeren Erträgen widerspiegelt.  
  • Was kann getan werden?
Züchtung basiert auf der Nutzung und Neukombination der vorhandenen genetischen Diversität. Hier bieten die pflanzengenetischen Ressourcen aus der bundeszentralen Ex-situ-Genbank am IPK ein Reservoir, um nach Eigenschaften zu suchen, die wir heute dringend benötigen. Es geht um eine genetische Frischzellenkur für unsere Gerste. 
  • Welche Herausforderungen liegen nun noch vor Ihnen?
Trotz des ersten erfolgreichen Schrittes zur Beschreibung des Gerste Pan-Genoms haben wir noch nicht die gesamte Diversität von Gerste erfasst. Dazu müssen wir weitere Genotypen vollständig sequenzieren und entschlüsseln. In diesem nächsten Schritt wollen wir auch die Wildgerste, den direkten Vorfahren der heutigen Kulturgerste, mit einbeziehen und genauer in den Blick nehmen. Wildgerste ist ein wichtiger, aber bisher kaum genutzter Bestandteil des gesamten, der modernen Pflanzenzüchtung zur Verfügung stehenden, Genpools. Und ich bin mir ganz sicher, dass wir Diversität entdecken, die für die zukünftige Gerstezüchtung und -forschung von erheblichem Wert sein kann.