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Göttingen Gersten-Pangenom: Forschungsteam mit Göttinger Beteiligung entschlüsselt weiteren Teil der Erbinformation
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Gersten-Pangenom: Forschungsteam mit Göttinger Beteiligung entschlüsselt weiteren Teil der Erbinformation

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09:30 26.11.2020
Prof. Dr. Nils Stein Quelle: r / Universität Göttingen
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Göttingen

Ein internationales Forschungsteam unter Führung des Leibniz-Institutes für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Universität Göttingen hat auf dem Weg zur „gläsernen Pflanze“ Gerste einen Meilenstein erreicht. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schlossen mit der vollständigen Sequenzierung von 20 unterschiedlichen Genotypen den ersten Schritt zur Entschlüsselung der Erbinformation der gesamten Spezies „Gerste“ – des Gerste-Pangenoms – ab. Züchterinnen und Züchter werden von diesen neuen Erkenntnissen, die jetzt im Magazin Nature veröffentlicht worden sind, stark profitieren.

Um die Erbinformation eines Individuums komplett zu erfassen, muss dessen Genom vollständig entschlüsselt werden. Dies gelang Forschenden des IPK und internationalen Partnern für Gerste bereits vor drei Jahren. Um aber die Erbinformation der gesamten Spezies Gerste zu verstehen, ist weit mehr erforderlich.

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Verblüffend bei der neuen Studie: Die einzelnen Genome unterscheiden sich teilweise erheblich in der Anzahl ihrer Gene sowie in der Anordnung und Orientierung großer Abschnitte einzelner Chromosomen, den Trägern der Erbinformation.

Diese „strukturellen“ Veränderungen des Gerste-Genoms können eine unüberwindbare Hürde bei der Neukombination wichtiger Eigenschaften im Rahmen der Kreuzungszüchtung darstellen. Den Ausgangspunkt für die Untersuchung bildeten die rund 22000 Saatgutmuster der Gerste aus der bundeszentralen Ex-situ-Genbank am IPK, die bereits mittels DNA-Sequenzierung untersucht worden sind.

Aus dieser Gruppe wurden nun 20 Genotypen ausgewählt, die sich genetisch möglichst maximal voneinander unterscheiden. „Kriterien bei der Auswahl waren unter anderem möglichst große Unterschiede in ihrer genetischen Vielfalt, geografischen Herkunft sowie in biologischen Merkmalen wie Winter- oder Sommertyp, Nackt- oder Bedecktsamigkeit, zwei- oder mehrzeilige Ährenformen“, sagt Prof. Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomik genetischer Ressourcen am IPK und Inhaber einer Brückenprofessur an der Universität Göttingen.

Gerste ist nicht gleich Gerste

Außer der Beobachtung, dass sich die Erbinformation zweier Gerstesorten in der Gesamtzahl ihrer Gene substanziell unterscheiden können, fand das Team verblüffende Unterschiede in der linearen Anordnung der Erbinformation in den Chromosomen – sogenannte Genomstrukturunterschiede.

Zwei dieser Strukturvariationen, Inversionen (entgegengesetzte Anordnung von Erbinformation in zwei Genomen), erregten dabei das besondere Interesse der Wissenschaftler: 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, nördlichen Ausbreitung des Gerste-Anbaus in Europa in Beziehung.

Erkenntnisse von Bedeutung für die Zucht

 „Die Beschreibung solcher Inversionen in Gerste ist neu“, sagt Stein. „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 wichtigen Kulturart“, so Stein.

Originalveröffentlichung: Jayakodi, Padmarasu et al. (2020), The barley pan-genome reveals the hidden legacy of mutation breeding. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2947-8

Von r / pug