Süßer Erfolg: Forscher knacken den komplexen genetischen Code des Zuckerrohrs
Wissenschaftler erstellten ein hochpräzises Referenzgenom für eine der wichtigsten modernen Kulturpflanzen und fanden ein seltenes Beispiel dafür, wie Gene Krankheitsresistenz in Pflanzen übertragen
Modernes Hybrid-Zuckerrohr ist eine der am meisten geernteten Pflanzen auf der Erde, aus der Produkte wie Zucker, Melasse, Bioethanol und biobasierte Materialien hergestellt werden. Es hat auch einen der komplexesten genetischen Baupläne.
Bislang war Zuckerrohr aufgrund seiner komplizierten Genetik die letzte große Nutzpflanze ohne ein vollständiges und hochgenaues Genom. Wissenschaftler haben mehrere Techniken entwickelt und kombiniert, um den genetischen Code des Zuckerrohrs erfolgreich zu entschlüsseln. Mit dieser Karte konnten sie die spezifische Stelle nachweisen, die für die Resistenz gegen die gefährliche Braunrostkrankheit verantwortlich ist, die unkontrolliert die Zuckerkulturen vernichten kann. Die Forscher können die genetische Sequenz auch nutzen, um die vielen Gene besser zu verstehen, die an der Zuckerproduktion beteiligt sind.
Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Community Science Program am Joint Genome Institute (JGI) des US-Energieministeriums durchgeführt, einer Einrichtung des DOE Office of Science am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Die Studie wird heute in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, und das Genom ist über das Pflanzenportal des JGI, Phytozome, verfügbar.
"Dies war die komplizierteste Genomsequenz, die wir bisher durchgeführt haben", sagte Jeremy Schmutz, Leiter des Pflanzenprogramms am JGI und wissenschaftlicher Mitarbeiter am HudsonAlpha Institute for Biotechnology. "Das zeigt, wie weit wir gekommen sind. Dies ist eine Sache, die man vor 10 Jahren noch für unmöglich hielt. Jetzt können wir Ziele erreichen, die wir in der Pflanzengenomik nicht für möglich gehalten hätten."
Das Genom des Zuckerrohrs ist so komplex, weil es zum einen sehr groß ist und zum anderen mehr Chromosomenkopien enthält als eine typische Pflanze, was als Polyploidie bezeichnet wird. Zuckerrohr hat etwa 10 Milliarden Basenpaare, die Bausteine der DNA; zum Vergleich: das menschliche Genom hat etwa 3 Milliarden. Viele Abschnitte der Zuckerrohr-DNA sind sowohl innerhalb als auch zwischen verschiedenen Chromosomen identisch. Das macht es zu einer Herausforderung, all die kleinen DNA-Abschnitte korrekt wieder zusammenzusetzen und gleichzeitig den gesamten genetischen Bauplan zu rekonstruieren. Die Forscher lösten das Rätsel, indem sie mehrere genetische Sequenzierungstechniken kombinierten, darunter eine neu entwickelte Methode namens PacBio HiFi-Sequenzierung, mit der die Sequenz längerer DNA-Abschnitte genau bestimmt werden kann.
Das Vorhandensein eines vollständigen "Referenzgenoms" erleichtert die Untersuchung von Zuckerrohr und ermöglicht es den Forschern, seine Gene und Stoffwechselwege mit denen anderer gut untersuchter Pflanzen wie Sorghum oder anderer interessanter Biokraftstoffpflanzen wie Switchgrass und Miscanthus zu vergleichen. Durch den Vergleich mit anderen Pflanzen wird es einfacher zu verstehen, wie die einzelnen Gene ein bestimmtes Merkmal beeinflussen, z. B. welche Gene bei der Zuckerproduktion stark exprimiert werden oder welche Gene für die Krankheitsresistenz wichtig sind. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Gene, die für die Resistenz gegen Braunrost verantwortlich sind, einem Pilzerreger, der in der Vergangenheit Millionen von Dollar an Schäden in Zuckerrohrkulturen verursacht hat, nur an einer Stelle im Genom zu finden sind.
"Als wir das Genom sequenzierten, konnten wir eine Lücke in der genetischen Sequenz rund um die Braunrostkrankheit schließen", sagte Adam Healey, Erstautor der Studie und Forscher bei HudsonAlpha. "Es gibt Hunderttausende von Genen im Genom des Zuckerrohrs, aber nur zwei Gene, die zusammenarbeiten, schützen die Pflanze vor diesem Krankheitserreger. In der gesamten Pflanzenwelt gibt es nur eine Handvoll Fälle, von denen wir wissen, dass der Schutz auf ähnliche Weise funktioniert. Ein besseres Verständnis der Funktionsweise dieser Krankheitsresistenz bei Zuckerrohr könnte dazu beitragen, andere Pflanzen, die mit ähnlichen Krankheitserregern konfrontiert sind, zu schützen.
Die Forscher untersuchten eine Zuckerrohrsorte mit der Bezeichnung R570, die seit Jahrzehnten weltweit als Modell für das Verständnis der Zuckerrohrgenetik verwendet wird. Wie alle modernen Zuckerrohrsorten ist R570 eine Hybride, die aus der Kreuzung einer domestizierten Zuckerrohrart (die sich durch eine hohe Zuckerproduktion auszeichnet) und einer Wildart (die die Gene für die Krankheitsresistenz trägt) hervorgegangen ist.
"Die Kenntnis des vollständigen genetischen Bildes von R570 wird es den Forschern ermöglichen, zurückzuverfolgen, welche Gene von welchem Elternteil abstammen, so dass die Züchter leichter die Gene identifizieren können, die die für eine verbesserte Produktion interessanten Eigenschaften kontrollieren", so Angélique D'Hont, letzte Autorin der Studie und Zuckerrohrforscherin am französischen Agrarforschungszentrum für internationale Entwicklung (CIRAD).
Die Verbesserung künftiger Zuckerrohrsorten kann sowohl in der Landwirtschaft als auch im Bereich der Bioenergie eingesetzt werden. Die Verbesserung der Zuckerrohrproduktion könnte den Ertrag der Landwirte erhöhen, so dass auf der gleichen Anbaufläche mehr Zucker gewonnen werden kann. Zuckerrohr ist ein wichtiger Rohstoff oder ein Ausgangsmaterial für die Herstellung von Biokraftstoffen, insbesondere Ethanol, und anderen Bioprodukten. Die nach dem Pressen des Zuckerrohrs verbleibenden Rückstände, die so genannte Bagasse, sind eine wichtige Art von landwirtschaftlichen Rückständen, die ebenfalls abgebaut und in Biokraftstoffe und Bioprodukte umgewandelt werden können.
"Wir arbeiten daran, zu verstehen, wie bestimmte Gene in Pflanzen mit der Qualität der Biomasse zusammenhängen, die wir dann in Biokraftstoffe und Bioprodukte umwandeln können", sagte Blake Simmons, Chief Science and Technology Officer des Joint BioEnergy Institute, eines Bioenergie-Forschungszentrums des DOE unter Leitung des Berkeley Lab. "Mit einem besseren Verständnis der Zuckerrohrgenetik können wir die Pflanzengenotypen besser verstehen und kontrollieren, die für die Produktion von Zucker und aus Bagasse gewonnenen Zwischenprodukten benötigt werden, die wir für nachhaltige Zuckerrohrumwandlungstechnologien in einem für die Bioökonomie relevanten Maßstab benötigen."
An dieser Studie waren Institute aus der ganzen Welt beteiligt, darunter Frankreich (CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE), Australien (CSIRO Agriculture and Food, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation/ARC Centre of Excellence for Plant Success in Nature and Agriculture - University of Queensland, Sugar Research Australia), die Tschechische Republik (Institut für experimentelle Botanik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften) und die Vereinigten Staaten (Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). Das Genom wurde am JGI sequenziert, wobei die Arbeiten in den Partnerlabors des JGI, dem Arizona Genomics Institute und dem HudsonAlpha Institute for Biotechnology, durchgeführt wurden.
Das Joint Genome Institute ist eine Nutzereinrichtung des Department of Energy Office of Science. Das Joint BioEnergy Institute ist ein DOE Bioenergy Research Center.
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Originalveröffentlichung
A. L. Healey, O. Garsmeur, J. T. Lovell, S. Shengquiang, A. Sreedasyam, J. Jenkins, C. B. Plott, N. Piperidis, N. Pompidor, V. Llaca, C. J. Metcalfe, J. Doležel, P. Cápal, J. W. Carlson, J. Y. Hoarau, C. Hervouet, C. Zini, A. Dievart, A. Lipzen, M. Williams, L. et al. "The complex polyploid genome architecture of sugarcane"; Nature, 2024-3-27
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