In den letzten zwanzig Jahren Fortschritte in Sequenzierung des gesamten Genoms (die Technik zum Lesen der genetisch Code in geschrieben DNA) haben es Forschern ermöglicht, neues Licht auf die Pflanzenevolution und pflanzenspezifische biologische Prozesse zu werfen. Ein kürzlich Perspektivischer Artikel betonte, dass nur 812 Arten von einer halben Million existierender grüner Pflanzen sequenziert wurden. Dennoch hat die Übernahme dieser modernen Technologie unser Verständnis des Ursprungs und der Diversifizierung des Pflanzenlebens oder der molekularen Basis wichtiger Pflanzenmerkmale enorm erweitert. Zum Beispiel die wissenschaftlichen Zeitschriften Forschung und Natur kürzlich veröffentlichte Ergebnisse von Forschungsprojekten, die Genomik einsetzten, um die Domestizierung der Weinrebe zu entschlüsseln oder die genetische Kontrolle von Sameneigenschaften in einer wichtigen Hülsenfrucht zu analysieren. Bei Pflanzen von agronomischem Interesse können Informationen über genomische Sequenzen in Programmen zur Verbesserung von Nutzpflanzen verwendet werden, um kultivierte Sorten zu erhalten, die widerstandsfähiger gegen Stress sind, weniger Input für das Wachstum benötigen oder einen besseren Nährwert haben.

Ackerbohne anbauen, eine gute pflanzliche Alternative zu Fleisch

In einem Szenario des Klimawandels könnte die Produktion von pflanzlichem Protein als Alternative zu tierischem Protein eine gute Strategie sein, um die Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft zu reduzieren (Figure 1). Insbesondere Hülsenfrüchte – oft als „Lebensmittel mit Potenzial für erhebliche gesundheitliche Vorteile“ bezeichnet – können die günstigste Quelle für hochwertiges pflanzliches Protein darstellen. Während Sojabohnenöl (Glycine max) – die wichtigste Bohne aus der Familie der Fabaceae – wächst gut unter warmen Bedingungen, Hülsenfrüchte der kühlen Jahreszeit (z. B. Erbse, Linse, Kichererbse) können in gemäßigten Regionen angebaut werden. Zwischen Hülsenfrüchten, Faba bohne (Vicia faba) zeichnet sich durch hohe Anpassungsfähigkeit, Produktivität und Nährwert aus.

Eine Montage der in der Bildunterschrift aufgeführten Elemente.
Abbildung 1. Hauptquellen tierischer und pflanzlicher Proteine. Fisch, rotes Fleisch (und Milchprodukte), Geflügel (und Eier) und Insekten sind die Hauptquellen für tierisches Protein. Sojabohne (Glycine max), Erbse (Pisum sativum), Gartenbohne (Phaseolus vulgaris), Und Kichererbse (Cicer Arietinum L.) sind die Hauptquellen für pflanzliche Proteine.

Trotz der langen Tradition des Ackerbohnenanbaus in der Alten Welt bleiben Rätsel über den Ursprung der Domestizierung im fruchtbaren Halbmond ungelöst, da kein wilder Vorläufer identifiziert wurde. Darüber hinaus hat ein Mangel an genetischen Daten und genetischem Material Zuchtpläne behindert, die darauf abzielen, die Produktion von zu reduzieren Antinährstoffe (z. B. Vicin, Convicin) oder den Gehalt an essentiellen Aminosäuren ausgleichen.

Lange Lesevorgänge enthüllten die Geheimnisse des Ackerbohnen-Riesengenoms

Die Sequenzierung des Ackerbohnengenoms wurde lange Zeit durch seine enorme Größe behindert: 13 Milliarden Nukleotide (13 Giga kb) verteilt auf 6 Chromosomen. Um sich diese kolossale Dimension besser vorstellen zu können: Das gesamte menschliche Genom hat die gleiche Größe wie das größte Chromosom der Ackerbohne!

Kürzlich gelang es einem internationalen Forscherteam, das diploide Genom (2 Kopien von 6 Chromosomen) der Ackerbohne zu sequenzieren, indem es eine neue Technologie namens PacBio HiFi Long Reads einsetzte. Als Referenz wählten die Autoren eine Inzuchtlinie (Hedin/2) mit günstigen Eigenschaften, wie z. B. hohes Ertragspotential und frühe Reife. Interessanterweise zeigt diese Linie ein hohes Maß an Homozygotie (d. h. Vorhandensein von zwei identischen Varianten eines Gens, eine von jedem Elternteil) dank eines beträchtlichen Grades an Autofertilität (oder Selbstbestäubung), obwohl es sich um eine allogame Art handelt (d. h. Vermehrung durch gegenseitige Befruchtung von Pollen einer anderen Pflanze derselben Art).

Jayakodi und Mitarbeiter entdeckten, dass das Riesengenom eine Folge mehrerer Ereignisse sein kann – einschließlich des Vorhandenseins riesiger intergenischer Regionen, der Erweiterung wiederholter Elemente (wie Transposons, die 80 % des genetischen Materials ausmachen) und der Tandemduplikation mehrerer Gene. Die Autoren kombinierten auch die Sequenzierung von Genom und Transkriptome (alle Boten-RNAs von den entsprechenden Genen transkribiert) von 9 Geweben, um die Annotation von 35000 proteinkodierenden Genen zu verbessern. Kurioserweise ist die Verteilung von Genen über Chromosomen bei Ackerbohnen und phylogenetisch nahen Arten ähnlich Pisum sativum (Figure 2), trotz des großen Unterschieds in ihrer Genomgröße.

Ein farbenfrohes Diagramm, in dem farbige Stränge aussehen, als wären sie in einem Webstuhl, der mehr oder weniger die Gene verschiedener Arten enthält.
Abbildung 2. Syntenisch Verwandtschaft mit anderen Leguminosen der Unterfamilie Faboideae. Ackerbohne zeigt eine höhere Syntenie mit Pisum sativum als mit Medicago truncatula. Adaptiert von Abbildung 2, Evolutions- und Syntenieanalyse in der Ackerbohne (Jayakodi et al., 2023. The giant diploid faba genome unlocks variation in a global protein crop).

Agrargenomik für Züchter und Genetiker: Ein breites Anwendungsspektrum

Doch was können Molekularbiologen und Züchter mit genomischen Datensätzen anfangen? Als Machbarkeitsnachweis liefern die Autoren praktische Anwendungsbeispiele durch die Durchführung Genomweite Assoziationsstudien für wichtige Sameneigenschaften. Insbesondere wurden genomische Informationen verwendet, um Genotypisierungsassays einzurichten, um Variationen in einem Diversitätspanel kultivierter Akzessionen zu untersuchen und um zu identifizieren, welche genetischen Varianten die gewünschten Merkmale verursachen. Die genomischen Daten der Ackerbohne können weiter für eine schnelle Introgression vorteilhafter Merkmale wie reduzierter Gehalt an toxischen Verbindungen (z. B. Alkaloidglykoside), erhöhte Bioverfügbarkeit von Proteinen oder modulierte Akkumulation von Phytaten in Samen genutzt werden.

Vorgeschlagene Literatur

Meilensteine ​​der Genomsequenzierung (nature.com)

Vertretung und Teilnahme an 20 Jahren Pflanzengenomsequenzierung | Natur Pflanzen

Dekolonisierung botanischer Genomik | Natur Pflanzen

Grüne Pflanzengenome: Was wir in einer Ära schnell wachsender Möglichkeiten wissen | PNASDas riesige diploide Faba-Genom erschließt Variationen in einer globalen Eiweißpflanze | Natur