Wie moderne Sequenziertechnologien die Pflanzenzüchtung revolutionieren

Charles Darwin schrieb einst von den „endlosen Formen größter Schönheit“, als er von den Arten sprach, die durch die natürliche Selektion entstanden sind. Seine Worte beschreiben aber auch die genetischen Variationen innerhalb einer Art, wie sie beispielsweise bei der sehr anpassungsfähigen Ackerschmalwand (Arabidosis thaliana) vorkommen.

Arabidosis thaliana wird nicht ohne Grund in zahlreichen Forschungslaboren weltweit als Modellpflanze eingesetzt. Ihr Genom ist im Gegensatz zu vielen Kulturpflanzengenomen winzig klein, ihre Generationszeit sehr kurz und ihre Wachstumsansprüche sind leicht zu befriedigen. Für Gärtner hingegen ist die enorme Anpassungsfähigkeit der unscheinbaren Pflanze ein Gräuel. Arabidopsis ist für sie ein „Unkraut“, dem nur schwer Herr zu werden ist.

Individuen einer Art: Gleich, aber doch verschieden

Immer wieder verkünden die Medien, das Genom eines bestimmten Lebewesens sei entziffert. Diese Genomsequenzen beruhen aber meist nur auf der Basenabfolge eines einzigen bzw. sehr weniger Individuen dieser Art. Innerhalb einer Art gibt es jedoch große genetische Variationen. Gerade im Reich der Pflanzen sind diese besonders interessant, denn als Schlüssel zu widerstandsfähigeren und ertragreicheren Sorten bilden sie die Grundlage der Pflanzenzüchtung. Da drängt sich die Frage auf, warum Wissenschaftler nicht einfach mehrere Individuen einer Art sequenzieren? Bis vor wenigen Jahren waren Erbgutbestimmungen extrem langwierige und teure Unterfangen. Erst die neue Generation der modernen Sequenziermethoden, die kostengünstig und schnell arbeitet, macht es Wissenschaftlern möglich, die komplette genetische Mannigfaltigkeit innerhalb einer Art zu untersuchen.

Von einer Referenz zum universellen Genom

Die Referenzgenomsequenz von Arabidosis thaliana wurde im Jahr 2000 als erstes vollständiges und in hoher Qualität vorliegendes Pflanzengenom publiziert. Kürzlich folgten die Genomsequenzen zahlreicher unterschiedlicher Arabidopsis-Arten. Um herauszufinden, wie die weltweit verbreitete Arabidopsis mit unterschiedlichen Extrembedingungen fertig wird, schlossen sich weltweit elf Forscherteams zum sogenannten 1001 Genomprojekt zusammen. Welchen Nutzen können Wissenschaftler daraus ziehen?

Offensichtlich verfügt die unscheinbare Pflanze über ein sehr flexibles Erbgut. Anders ist ihre hohe Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umweltbedingungen nicht zu erklären. Vergleiche von Genomsequenzen verschiedener Arabidopsis-Arten können Hinweise darauf geben, welche Faktoren das Genom beeinflusst haben, sich zu verändern. Außerdem können Wissenschaftler mit Hilfe dieser Sequenzen die genetischen Grundlagen der adaptiven Eigenschaften eines Organismus erforschen. Dies sollte in Zukunft auch die Verknüpfung bestimmter Phänotypen mit den entsprechenden Genotypen erleichtern, auch wenn es um komplexe Eigenschaften geht. Diese werden in der Regel von mehreren bis zu vielen hundert Genen gleichzeitig beeinflusst werden. Die in Arabidopsis gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse lassen sich dann auf Nutzpflanzen mit weitaus größeren und komplizierteren Genomen übertragen.

Ein neuer Ansatz: Genomsequenzen unabhängig zusammenfügen

In einer kürzlich im Fachmagazin „Nature“ veröffentlichten Studie wählten Wissenschaftler einen neuen Ansatz. Dabei re-sequenzierten sie verschiedene Arten von Arabidopsis. Es ist bisher technisch nicht möglich, ein Genom am Stück zu sequenzieren. Wissenschaftler entschlüsseln den Code von Bruchstücken und fügen diese anschließend wieder zusammen. Bisher nutzten sie dazu immer ein Referenzgenom als Vorlage. In Fall von Arabidopsis ist dies das im Jahr 2000 publizierte und seitdem kontinuierlich verbesserte Genom. Im nun gewählten Ansatz versuchen die Forscher, die unterschiedlichen Genomabschnitte möglichst unabhängig voneinander zusammenzusetzen. Und dieses Vorgehen verändert den Fokus einer vergleichenden Genomanalyse gewaltig: Anstatt ein oder mehrere Genome mit nur einer Referenzgenomsequenz zu vergleichen, verglichen die Wissenschaftler stattdessen viele Genome untereinander. Auf diese Weise wird zwar das Zusammenführen komplizierter. Andererseits lassen sich so Sequenzvariationen, die über ein paar wenige Nukleotide hinausgehen, erfassen und so neuartige Variationen des Genoms innerhalb einer Art aufdecken.

Mit Hilfe dieses neuen Ansatzes fanden die Forscher deutlich mehr Unterschiede in den Genomen als mit den bisher etablierten Methoden, beispielsweise beträchtliche Unterschiede von Punktmutationen im Genom von Arabidopsis thaliana Biotypen. Neben diesen sog. Polymorphismen der SNPs wurden durch diese Methode ebenso bisher unbekannte Unterschiede in der Anzahl von Genkopien detektiert. Ein Teil der zahlreichen Arabidopsisvariationen geht auch auf das Konto chemischer Veränderungen methylierter Cytosinbasen. Während epigenetischer Veränderungen der DNA wird Cytosin häufig methyliert. Durch die Methylierung der Basen ändert sich die Aktivität der Genexpression, ohne dabei die DNA in ihrer Struktur zu beeinflussen.

Genetische Variabilität schafft Anpassungsnischen

Arabidopsis scheint ihre größte Variabilität im Bereich der Abwehr und Anpassung an ihre Umwelt zu haben. Bei genauerem Hinsehen zeigte sich, dass eine kleine, nur 100 Basenpaar lange Gensequenz für die beträchtliche genetische Variation von 18 natürlich vorkommenden Arabidopsisarten verantwortlich ist. Dieser kurze Genabschnitt kontrolliert die Expression eines angrenzenden Gens. Je nachdem wie dieses „Haupt“-Gen abgelesen wird, „reagieren“ andere Gene, die hauptsächlich an der Pathogenabwehr oder dem Blühverhalten beteiligt sind.

Bald schnellere und gezieltere Züchtung möglich?

Das Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis schürt die Hoffnung, dass die Anwendung von Hochdurchsatz-DNA-Sequenziermethoden und „Genomerfassungstechnologien“ in Zukunft dazu führen wird, dass auch große Nutzpflanzengenome in entsprechender Qualität re-sequenziert werden. Erste Ansätze in diese Richtung gibt es bei Reis oder Mais. In einer Studie mit Reis untersuchten Wissenschaftler 517 verschiedene Reisarten, um genetische Variationen für 14 agronomisch wichtige Eigenschaften aufzuspüren. Derartige Ansätze könnten die Pflanzenzüchtung revolutionieren: Wenn phänotypische Variationen bestimmten Genomsequenzen zugeordnet werden können, fällt Züchtern die sonst langwierige Auswahl der Zuchtlinien leicht. Sie könnten so beim Erschaffen neuartiger Pflanzenvariationen, die besser an bestimmte Umweltfaktoren angepasst oder ertragreicher sind, viel Zeit sparen.

Quellen:
Erste Sequenzierung des Arabidopsis Genoms: Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature. 2000 Dec 14;408(6814):796-815. doi:10.1038/35048692.

Bevan M., Genomics: endless variation most beautiful. Nature. 2011 Sep 21;477(7365):415-6. doi: 10.1038/477415a

J. Cao et al. (2011) Whole-genome sequencing of multiple Arabidopsis thaliana populations. Nature Genetics, doi: 10.1038/ng.911

X. Gan et al. (2011) Multiple reference genomes and transcriptomes for Arabidopsis thaliana. Nature, doi: 10.1038/nature10414.

K. Schneeberger et al. (2011) Reference-guided assembly of four diverse Arabidopsis thaliana genomes. Proceedings of the National Academy of Sciences of USA 108, 10249-10254, doi: 10.1073/pnas.1107739108.