Das Genom der Gerste im Visier der Wissenschaft

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Mit der Entschlüsselung des Gerstengenoms übernimmt Deutschland erstmals die Initiative zur Sequenzierung des Genoms einer Kulturpflanze. Quelle: pixelquelle.de

16.08.2007  - 

Gerste ist eine der ältesten und geografisch am weitesten verbreiteten Getreidearten, die vom Menschen bereits seit Jahrtausenden angebaut wird. Nun hat sich ein internationales Forscherteam vorgenommen, das komplette Genom der Gerste zu entschlüsseln. Dabei übernimmt Deutschland mit dem Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben zum ersten Mal eine Koordinierungsfunktion bei der Sequenzierung eines Kulturpflanzengenoms. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Vorhaben mit sechs Millionen Euro.

Die erste Nutzung der Gerste (Hordeum vulgare) durch den Menschen liegt schon Jahrtausende zurück, bereits die alten Ägypter bauten diese Getreideart an. Heute ist die Gerste neben Weizen, Reis und Mais weltweit eine der wichtigsten Getreidearten, die auf allen Kontinenten angebaut wird. Sie wird in erster Linie als Viehfutter, aber auch zur Malzgewinnung bei der Bierherstellung genutzt. Beim Anbau wird zwischen Sommer- und Wintergerste unterschieden. Nach Angaben der Welternährungsorganisation (FAO) gehört Deutschand mit rund 12 Millionen Tonnen pro Jahr zu den weltweit größten Gerste-Produzenten.

Dieser Film der Deutschen Welle informiert über den Forschungsstandort Gatersleben in Sachsen-Anhalt, an dem sich hauptsächlich mit biotechnologischen Anwendungen in der Landwirtschaft beschäftigt wird.Quelle: Deutsche Welle

Deutscher Fokus: Gerste als Modellpflanze

Für Pflanzenforscher wiederum ist die Gerste eine von vielen einkeimblättrigen Pflanzen und während sich vielerorts mit Reis oder Weizen beschäftigt wird, konzentriert sich die Forschung in Deutschland schon seit einigen Jahren auf Gerste als Modell für diese Klasse von Pflanzen - insbesondere unter dem Dach des Forschungsnetzwerkes Genomanalyse im biologischen System Pflanze (GABI). Eingehende Arbeiten auf diesem Gebiet sind vor allem deshalb vonnöten, weil sich die Züchtung der Gerste lange Zeit auf die Auslese spezieller Linien beschränkte und nur Kulturformen mit einem ähnlichen Genpool hervorbrachte. Viele wertvolle Eigenschaften, beispielsweise die Resistenz gegenüber Krankheitserregern oder widrigen Umweltbedingungen sind so verlorengegangen. Durch die Kreuzung mit Wildpflanzen wird nun versucht, dies wieder auszugleichen. Allerdings gelangen dadurch auch wieder unerwünschte Eigenschaften in die Pflanze, die durch Rückkreuzung mühsam entfernt werden müssen. Tiefergehendes Wissen um die genetische Ausstattung der Gerste könnte langfristig genetische Marker hervorbringen, mit deren Hilfe sich die Züchtung wesentlich zielgerichteter vorantreiben ließe.

Ist das vollständige Genom einer Pflanze erkannt, wäre es wesentlich einfacher, den mit konventionellen Methoden relativ langwierigen, über mehrere Jahre dauernenden Prozess der gezielten Züchtung von Hochleistungssorten mithilfe moderner Verfahren wie dem sogenannten Smart Breeding abzukürzen.

Erstmals Deutschland als Koordinator für Sequenzierprojekt einer Kulturpflanze

Nun hat ein internationales Konsortium von Wissenschafltern aus den USA, Australien, Deutschland sowie weiteren europäischen Partnern des Barley Genome Net die Entschlüsselung des kompletten Gerstengenoms ins Visier genommen. Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben übernimmt dabei erstmals als deutsche Einrichtung eine der Koordinierungsfunktionen bei der Entschlüsselung eines Kulturpflanzengenoms. Aus deutscher Sicht sind neben den Forschern aus Sachsen-Anhalt auch Einrichtungen aus München, Jena und Quedlinburg am Vorhaben beteiligt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Projekt mit sechs Millionen Euro.

Genomentschlüsselung als Wegbereiter für Züchter

Die Sequenzierung des Gerstengenoms soll die Voraussetzungen dafür schaffen, um diese Getreideart noch intensiver und systematischer zu analysieren. Die Pflanzengenomforscher erhoffen sich langfristig wichtige Erkenntnisse, um beispielsweise agronomische Eigenschaften des Getreides wie Ertrag oder Resistenzen gegen Schädlinge zu verbessern.

Darüber hinaus könnten die durch die Entschlüsselung des Genoms gewonnenen Ergebnisse die Basis dafür liefern, dass sich Gerstensorten züchten lassen, die an bestimmte Bedingungen wie Trockenheit oder salzige Böden angepasst sind. Potentiale sehen Wissenschaftler auch in der Nutzung der Gerste als industrieller Produzent biologisch abbaubarer Kunststoffe, die bisher nur unter Einsatz chemischer Verfahren gewonnen werden können.

Unter den Getreidearten ist bislang nur das Reisgenom vollständig sequenziert worden - von zwei Teams (einem öffentlichen und einem privat finanzierten) im Jahr 2002, die sich jeweils andere Sorten vorgenommen hatten. (2002, Science, Vol. 296)  Dies wurde damals als Meilenstein gewertet, auf dem andere Getreidegenomforscher aufbauen können - insbesondere, weil es sich bei Reis um eine Nahrungsquelle für Milliarden von Menschen handelt und es zur selben Gattung (Triticeae) wie Gerste gehört. Das Genom der Gerste zu entschlüsseln, ist allerdings noch komplexer als beim Reis. Es ist mit 5,4 Milliarden Basenpaaren fast doppelt so groß wie das menschliche Genom und zehnmal so groß wie das Reisgenom, allerdings auch deutlich kleiner als das Genom von Weizen. Allerdings verdankt das Gerstengenom einen Teil seiner Größe  auch vielen Wiederholungen, aus denen es besteht.