Forschung zu Roggen-Genom: "Ein technischer Meilenstein"

19.03.2021

Einem internationalem Forschungsteam unter Führung des IPK Leibniz-Institutes ist es jetzt erstmals gelungen, das Roggen-Genom vollständig zu entschlüsseln. Bei ihrer Arbeit haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf Material des Züchtungsunternehmens KWS zurückgegriffen. Wie die Züchtung von den neuen Erkenntnissen profitieren kann, warum bei ihm zu Hause viele Roggen-Produkte auf den Tisch kommen und warum auch sogenannter DNA-Schrott wichtig werden kann, erläutert Dr. Andres Gordillo, Zuchtleiter Roggen bei KWS, im Interview.

Dr. Andres Gordillo, KWS Foto: Friederike Kättker

  • Wie bewerten Sie die neuen Erkenntnisse, die das internationale Forschungsteam unter Führung des IPK Leibniz-Institutes jetzt zum Roggen-Genom gefunden hat?
Die neue Genomsequenz unserer Inzuchtlinie Lo7 ist ein technischer Meilenstein und ein wichtiger Schritt in Richtung einer umfassenderen genetischen Charakterisierung der Kulturart Roggen.
  • Sie haben dem Forschungsteam reinerbiges Material zur Verfügung gestellt. Warum war es für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wichtig, mit reinerbigem Material zu arbeiten? Und was zeichnet dieses Material aus?
Es ist von Vorteil, wenn das sequenzierte Material reinerbig, also homozygot, ist. Bei der Sequenzierung gibt es immer wieder Fehler, insbesondere bei längeren Nukleotidsequenzen. Bei den Sequenzierungsdurchgängen reinerbiger Linien weisen Sequenzvarianten auf solche Sequenzierfehler hin. Bei nicht-reinerbigen, also heterozygoten Materialien, können die Sequenzvarianten dagegen auf zwei Ursachen zurückgeführt werden: auf Sequenzierfehler oder auf verschiedene Allelvarianten, als unterschiedliche Ausprägungen eines Gens. Man kann also bei nicht-reinerbigem Material Sequenzierfehler oft nicht eindeutig einordnen.
  • Gibt es weitere Vorteile?
Mit reinerbigen Linien erreicht man eine höhere Qualität der Sequenzierung. Damit lassen sich molekulare Marker für die Selektion auf wichtige beziehungsweise gewünschte Merkmale mit höherer Genauigkeit entwickeln. Ferner führt dies zu hochwertigeren „Ankersequenzen“, was für die spätere Sequenzierung anderer Linien, also die sogenannte Re-Sequenzierung, von Vorteil ist. Heterozygotes Material wiederum erschwert die Assemblierung, also die Zusammensetzung der einzelnen, durch die Maschinen entschlüsselten Sequenzabschnitte zu vollständigen Chromosomen mit Hilfe der Bioinformatik.
  • Wie profitiert KWS von den neu gewonnen Erkenntnissen?
Wir erhoffen uns eine erhebliche Steigerung des Züchtungsfortschritts und somit der Attraktivität des Roggens für Landwirte, aber auch die Verbraucher, also uns. Unsere Arbeit im Zuchtgarten kann nun noch gezielter geplant und durchgeführt werden.
  • Können Sie uns dafür ein konkretes Beispiel nennen?
Die neue Genomsequenz wird es uns erleichtern, im Feld beobachtete Resistenzmerkmale mit ihren zugrundeliegenden Genen und deren Positionen im Roggengenom zu verknüpfen. Dies erhöht unsere Effektivität bei der Entwicklung molekularer Marker für die Selektion von Merkmalen die helfen auf chemischen Pflanzenschutz zu verzichten oder diesen zumindest zu reduzieren. Die Pflanzen können durch ihre genetische Veranlagung Schaderreger in Schach halten.
  • Welche Merkmale haben Sie dabei besonders im Blick?
Es gibt beim Roggen noch viele Merkmale, an denen wir arbeiten müssen. Die Bedeutung von Resistenzgenen gegenüber Blatt- und Ährenkrankheiten nimmt deutlich zu. Aber auch die Entwicklung von Roggen mit einer stark verbesserten Standfestigkeit, die einen Verzicht auf den Einsatz von Wachstumsreglern ermöglicht, ist von großem Interesse. Derzeit nimmt auch die Bedeutung von Merkmalen und Genen zu, die die Phänologie, also die saisonale zeitliche Regulierung des Lebenszyklus, für die Anpassung an verschiedene Umwelten beeinflussen.
  • Gibt es weitere Punkte, an die Sie mit Ihrer Arbeit anknüpfen können?
Ja, natürlich. Wir haben nun die Möglichkeit, Gene im Roggen mit denen anderer verwandter Kulturarten zu vergleichen. Damit leistet die neue Genomsequenz einen wichtigen Beitrag zur Nutzung von Resistenz- und Qualitätsmerkmalen aus verwandten Kulturarten wie Weizen oder Gerste oder genetischen Ressourcen, also Wildformen unserer Getreidearten, die alle zur Familie der Süßgräser, den Poaceae, gehören. Hier spielt Syntänie eine wichtige Rolle. Damit sind Genomabschnitte oder Gene gemeint, die bei verwandten Arten eine gemeinsame evolutionäre Abstammung haben. Somit ist es oft möglich, homologe Gene in ähnlicher Abfolge über längere Genomabschnitte bei verwandten Arten nachzuweisen.
  • Viele denken dabei sofort an Weizen, der im globalen Maßstab ja noch eine deutlich größere Bedeutung hat als Roggen. Wie kann die Weizenzüchtung von den neuen Erkenntnissen aus der Wissenschaft profitieren?
Zum Beispiel weist der Roggen im Vergleich zum Weizen eine höhere Toleranz gegenüber Trockenheit oder Frost auf. Die Ertragsleistung des Roggens ist in leichten Bodenlagen oder auf nährstoffleichten Böden überlegen. Zudem trägt der Roggen interessante Resistenzgene. Die Nutzung relevanter Merkmale mithilfe von Syntänie funktioniert in beide Richtungen. Vom Weizen zum Roggen und vom Roggen zum Weizen. Deshalb kann die Weizenzüchtung auch von neuen Erkenntnissen aus der Roggen-Genomsequenz profitieren. Diese Erkenntnisse können Weizenzüchter dabei helfen, vorteilhafte Gene zu identifizieren und züchterisch einzulagern. Neue Sequenzinformationen können helfen, diesen Prozess schneller und effektiver zu gestalten. So können neue Genomregionen identifiziert werden, die zum Beispiel Resistenzgene enthalten, die dann in Form von Introgressionen oder Translokationen in den Weizen eingebracht werden können.
  • Welche Bedeutung messen Sie dem Roggen bei? Und glauben Sie, dass die Bedeutung von Roggen steigen wird?
Der Roggen ist für KWS als nachhaltige Kulturart mit nachgewiesenem gesundheitlichem Nutzen für Menschen und Tiere von großer Bedeutung. Der Roggen gewinnt im Rahmen der Nachhaltigkeitsdebatte gegenüber anderen Kulturarten durch seine überlegene Stickstoff- und Wassernutzungseffizienz zunehmend an Attraktivität. Das sind sehr wichtige Punkte, zumal die Debatte um Klimawandel und Nachhaltigkeit in den vergangenen Jahren stark zugenommen, wie auch die Debatte um den „European Green Deal“ mit dem Ziel, die Netto-Emissionen von Treibhausgasen in der EU bis 2050 auf Null zu senken, gezeigt hat. Der Landwirtschaft kommt dabei eine zentrale Rolle zu.
  • Dann frage ich den Zuchtleiter Roggen mal ganz persönlich: Welche Roggenprodukte kommen bei Ihnen zu Hause auf den Tisch?
Sonntags gibt es bei uns immer Roggenbrötchen zum Frühstück. Und in der Weihnachtszeit wird normalerweise eine Ladung Roggenplätzchen gebacken. Aber das spannendste ist wahrscheinlich, Roggen im Garten gemeinsam mit den Kindern anzubauen, das Korn zu ernten, zu mahlen und am Ende daraus Pfannkuchen zu machen. Damit gelingt es im kleinen Rahmen, die Wertschöpfungskette nachzubilden.
  • Dann lassen Sie uns zum Schluss noch einen Blick nach vorne werfen. Was sind die Fragen, bei denen Sie als nächstes auf neue Erkenntnisse aus der Wissenschaft hoffen?
Ich denke, dass es in Bezug auf die Funktionen und Zusammenhänge der Genomsequenzen noch viele offene Fragen gibt. Hier spielt das Stichwort Annotation von Genen, repetitiven Elementen, nicht-kodierende und regulatorische Regionen eine wichtige Rolle. Es gibt genomische Bereiche, die zunächst als sogenannter DNA-Schrott bezeichnet werden können, sich dann aber nachträglich als wichtige Elemente für die Struktur der Chromosomen oder als Regionen mit regulatorischen Funktionen herausstellen können. Deswegen plädiere ich für die Sequenzierung weiterer Roggenlinien, um eine bessere Abdeckung des Roggen-Genoms zu erlangen und unser Verständnis über das Roggengenom weiter zu verbessern.