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Kartoffel-Genom komplett entschlüsselt

Sequenzierung des Erbguts enthüllt überraschende Eigenheiten der Nutzpflanze

Kartoffel
Das Genom der Kartoffel ist nun vollständig entschlüsselt. © Ulrich Pollmann (2022)

Das komplexe Genom der Kartoffel hat sich lange der Sequenzierung entzogen, doch nun ist es vollständig entschlüsselt. Forschenden ist es dabei erstmals gelungen, die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der jeweils vier Kopien jedes Chromosoms dieser Nutzpflanze zu identifizieren – mit teils überraschenden Ergebnissen. Dieses Wissen ebnet den Weg für die Züchtung neuer Kartoffelsorten und damit für mehr Ernährungssicherheit – auch angesichts des Klimawandels.

Die Kartoffel gehört in Deutschland zu den Grundnahrungsmitteln. Doch auch in vielen anderen Teilen der Welt steht die stärkereiche Knolle immer häufiger auf dem Speiseplan. Dabei kommen vor allem traditionelle Sorten auf den Tisch, denn unter den Kartoffeln herrscht ein deutlicher Mangel an Sortenvielfalt. Alle Bemühungen, neue Sorten mit höheren Erträgen zu züchten, sind bis heute weitgehend erfolglos geblieben.

Vier Versionen jedes Chromosoms

Das könnte sich jedoch bald ändern: Einem Forschungsteam um Hequan Sun vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln ist es nun gelungen, das Genom der Kartoffel erstmals vollständig zu sequenzieren. Dass das so lange gedauert hat, liegt an der komplizierten Genetik der Kartoffeln. Anstatt je eine Kopie jedes Chromosoms vom Vater und von der Mutter zu erben, wie es bei uns Menschen der Fall ist, erbt die Kartoffel zwei Kopien jedes Chromosoms von jedem Elternteil, so dass jedes Chromosom vierfach vorliegt. Dies sind jedoch keine exakt identischen Kopien, sondern einzelne Abschnitte können durchaus variieren.

Vier Kopien jedes Chromosoms bedeuten auch vier Kopien jedes Gens, was die Erzeugung neuer Sorten mit einer gewünschten Kombination individueller Eigenschaften sehr schwierig und zeitaufwendig macht. Und daher war auch die Rekonstruktion des Kartoffelgenoms aufgrund dieser vielen Chromosomen-Kopien – auch als Haplotypen bezeichnet – eine weitaus größere technische Herausforderung als es beim menschlichen Genom der Fall war.

Große Abschnitte nahezu identisch

Den Forschenden ist es mit einem einfachen, aber eleganten Trick gelungen, diese Hürde zu überwinden: Anstatt die vier oft sehr ähnlichen Chromosomenkopien voneinander zu unterscheiden, umgingen die Forschenden dieses Problem, indem sie die DNA nicht wie üblich aus dem Blattgewebe entnahmen, sondern die Genome einzelner Pollenzellen analysierten. Im Gegensatz zu anderen Zellen enthält jede Pollenzelle nur zwei Kopien jedes Chromosoms, was die Rekonstruktion des Genoms erleichtert.

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So gelang es dem Team, das komplette, 3,2 Milliarden Basenpaare lange Erbgut der Kartoffelpflanze zu entschlüsseln und die Variationen zwischen den vier Kopien der Chromosomen genauer zu verstehen. Von den insgesamt 38.214 Genen sind demnach nur 54 Prozent auf allen vier Kopien eines Chromosoms vorhanden. Von diesen Genen zeigen viele kaum Abweichungen zwischen den verschiedenen Chromosomenkopien – die DNA-Abfolgen sind nahezu identisch, wie das Team feststellte.

Sun und seine Kollegen führen dies darauf zurück, dass Rekombinationen und andere Veränderungen während der Zellteilung in diesen Bereichen offenbar aktiv unterdrückt wurden – möglicherweise weil die dort liegenden Gene essenziell sind.

Andere hingegen einzigartig unterschiedlich

Doch so ähnlich sich die Chromosomenversionen in rund der Hälfte ihrer Gene sind, so groß ist die Variation im Rest: Etwa die Hälfte der DNA-Abfolge jedes dieser Haplotypen sind durch Umkehrungen, Einfügungen oder zusätzliche Kopien bestimmter Abschnitte stark verändert. „Jeder Haplotyp umfasste elf bis 42,5 Prozent an einzigartigen Sequenzen, die keine Entsprechung bei einem der anderen Haplotypen hatten“, berichtet das Team.

Ein solches Ausmaß an struktureller Variation und haplotyp-spezifischen Sequenzen sei weit höher als alles, was man bisher von einer Nutzpflanze kenne, sagen Sun und seine Kollegen. Sie vermuten, dass diese starke Variationsbreite auf häufige Einkreuzungen wilder Kartoffelverwandter im Verlauf der Domestikation dieser Pflanze zurückgeht.

Möglichkeiten noch nicht voll ausgeschöpft

Die Kombination vieler nahezu identischer Genbereiche mit extrem unterschiedlichen Abschnitten führt dazu, dass die Kartoffel meist nicht vier verschiedene Allele – Varianten – jedes Gens trägt, sondern weniger als zwei. Die bisher kultivierten Kartoffelsorten nutzen demnach das volle Potenzial der möglichen Gen-Diversität noch nicht voll aus, wie die Forschenden erklären.

Doch nun, da alle vier Haplotypen, also alle Varianten der Chromosomen bekannt sind, können neue Genkombinationen getestet und optimierte Kartoffelpflanzen gezüchtet werden. „Kartoffelsorten, die produktiver und widerstandsfähiger gegen den Klimawandel sind – das könnte einen enormen Einfluss auf die weltweite Ernährungssicherheit in den kommenden Jahrzehnten haben“, erklärt Seniorautor Korbinian Schneeberger vom MPI für Pflanzenzüchtungsforschung. (Nature Genetics; 2022, doi: 10.1038/s41588-022-01015-0)

Quelle: Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung Köln

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