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Schon seit der Landwirtschaftlichen Revolution vor ca. 12.000 Jahren züchten Menschen selektiv Pflanzen mit vorteilhaften Eigenschaften, so wie einer hohen Kornzahl oder Resistenz zu Krankheiten. Im Laufe der Zeit entwickelte sich Triticum aestivum, besser bekannt als Brotweizen, zu einer der wichtigsten Feldfrüchte der Welt. Zusammen mit einer wachsenden Bevölkerung und einem sich verändernden Klima wächst die Nachfrage nach Weizen mit einem höheren Ertrag und zusätzlichen Resistenzen fortlaufend.
Jedoch stagniert der durchschnittliche Weizenertrag nun bereits seit einigen Jahren. In einer neuen internationalen Studie wurde die genetische Diversität von 487 Weizengenotypen aus verschiedenen Teilen der Welt katalogisiert und in Zusammenhang mit ihren agronomischen Eigenschaften gestellt. Die Kartierung dieses reichen Pools an genetischer Diversität in Brotweizen unterstreicht die aktuelle Theorie zur Abstammung des Weizens und eröffnet neue Wege in der modernen selektiven Weizenzucht.
Die Evolution des Weizens ist eine komplexe Geschichte aus Hybridisierungs- und Genfluss-Ereignissen, welche zu der allohexaploiden (mit sechs Chromosomensätzen) Weizenart Triticum aestivum führte, die wir heutzutage als Brotweizen kennen. Der moderne Brotweizen entstand vor ca. 10.000 Jahren im Fruchtbaren Halbmond und sein Genpool wurde von Menschenhand in Folge von Domestizierung und Kultivierung geformt. Heutzutage findet man weltweit ertragsreiche Brotweizensorten, wobei jede Variation an die speziellen Umweltbedingungen, in der sie herangezogen wird, angepasst ist. So deckt Weizen, als eine der drei wichtigsten Feldfruchtarten, ca. 20 Prozent der Kalorien und Proteine, die die Menschen weltweit verbrauchen.
Die wachsende Nachfrage nach Weizen, ein sich erwärmendes Klima und die Umstellung der westlichen Landwirtschaft, fort von intensiver Landwirtschaft, üben Druck auf Pflanzenzüchter aus, die modernen Brotweizensorten weiter anzupassen und zu verbessern. Jedoch benötigen Pflanzenzüchter Pflanzen mit genetischer Variabilität, die sie während des Zuchtprozesses selektieren und kombinieren können, um so Weizen-Kulturvarietäten mit neuen und verbesserten Eigenschaften zu züchten. Eine neue internationale Studie von Brotweizen hat nun einen umfangreichen genetischen Pool für zukünftige züchterische Verbesserungen von Triticum aestivum aufgetan.
In dieser Studie wurden die Exome von 487 Weizen-Genotypen aus 68 Ländern, einschließlich Landrassen, Kulturvarietäten und modernen Varietäten, sequenziert. Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben konnte dabei Proben von verschiedenen Weizenarten aus der bundeszentralen Ex-situ-Genbank zur Studie beisteuern. Indem sie die Refseqv1.0 Referenzsequenz der Brotweizenlandrasse “Chinese Spring”, welche vom „Internationalen Konsortium zur Sequenzierung des Weizengenoms“ (IWGSC) 2017 publiziert wurde, als Ankergenom nutzten, konnten die Forscher eine umfangreiche Übersicht der Vielfalt des Weizens auf der Ebene der Gene, der Chromosomen und auf dem Niveau der drei Subgenome, welche im Genom des Brotweizens verschmolzen sind, zusammenstellen. Dies ermöglichte den Wissenschaftlern, das Modell der Weizenevolution zu erweitern und weiterzuentwickeln und die genetischen Ursprünge des modernen Brotweizens zu entschlüsseln. So wurde bestätigt, dass die Linie des Hartweizens, des Durumweizens, mit hoher Wahrscheinlichkeit der Vorfahre des Keimplasmas unseres modernen Brotweizens ist. Zudem zeigten die Forscher durch die Untersuchung der Fußabdrücke der Selektion des Weizens, welche Effekte Allel-Varianten besitzen, auf welche seit dem Beginn der Weizendomestikation selektiert worden war.
Die Daten, welche im Rahmen der Studie veröffentlicht wurden, sind ein weiterer Schritt in Richtung der Erstellung eines “Pangenoms” des Weizens – die Beschreibung aller Gene und genetischer Variationen des Weizens weltweit. Dieses ist gleichermaßen eine dringend benötigte Ressource für die Forschung und die Züchtung neuer, verbesserter Weizensorten. Die Studie an sich stellt bereits eine reiche genetische Datenressource dar, welche unmittelbar zur Verbesserung der Eigenschaften im Brotweizen verwendet werden kann, von der Anpassung an Umweltbedingungen bis zu verbessertem Ernteertrag und einer erhöhten Krankheitsresistenz. Zudem stellen die Ergebnisse den aktuellen Kenntnisstand zur Abstammung des Brotweizens dar und unterstreichen unsere kulturelle Vorgeschichte als Bauern und Pflanzenzüchter.
Prof. Dr. Nils Stein
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben
Tel.: +49 39482 5522,
E-mail: stein@ipk-gatersleben.de
DOI: 10.1038/s41588-019-0393-z
https://www.nature.com/articles/s41588-019-0393-z
Urkorn- und Kulturkorn im Vergleich. Weizenmuster aus dem Herbarium der bundeszentralen Ex-situ-Genb ...
Julie Himpe/IPK
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Journalists
Biology
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Research results, Scientific Publications
German
Urkorn- und Kulturkorn im Vergleich. Weizenmuster aus dem Herbarium der bundeszentralen Ex-situ-Genb ...
Julie Himpe/IPK
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