Noch ist das Weizengenom nicht komplett geknackt – aber Forschern des internationalen Weizengenom-Sequenzierkonsortiums ist ein wichtiger Meilenstein geglückt: Sie haben das Erbgut des wichtigsten Brotgetreides detailliert vermessen und eine molekulare Überblickskarte vorgelegt. Dazu war es zunächst nötig, das komplexe Genom in seine 21 Chromosomen zu zerteilen und deren Genabfolge Schritt für Schritt zu analysieren. Beteiligt an dem Projekt sind auch Wissenschaftler um Klaus Mayer vom Helmholtz Zentrum München. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Projekt im Rahmen der Fördermaßnahme "Plant 2030" unterstützt. Das Genomkonsortium berichtet im Fachjournal Science (2014, Bd. 345, Ausg. 6194). Die öffentlich zugänglichen Daten sind schon jetzt eine wertvolle Ressource für Pflanzenzüchter.

Der Brotweizen Triticum aestivum kann unter den Getreidearten viele Rekorde für sich verbuchen: So nimmt er mit 200 Millionen Hektar weltweit die größte Anbaufläche ein. Im vergangenen Jahr wurden nach FAO-Angaben rund 700 Millionen Tonnen Weizen produziert. Das Getreide gilt als der wichtigste Kohlenhydrat- und Proteinlieferant für die Weltbevölkerung. Rekordverdächtig sind auch die molekularen Kennziffern des Weizens: Das Genom ist mit 17 Milliarden Basenpaaren (17 Gigabasenpaare) nicht nur fast sechsmal so groß wie das Erbgut des Menschen, es liegt zudem in jeder Zelle in sechs Kopien vor.

Das Weizengenom ist aber nicht nur riesig, sondern auch noch komplex. So ist das Genom ein Mix aus drei verschiedenen Vorläufergenomen, also drei verschiedenen Gräserarten, deren Erbsubstanz sich in der Evolution miteinander vermischt hat.

Genom in seine einzelnen Chromosomen zerlegt

Diese Komplexität hat sich als harte Nuss erwiesen auf dem Weg, die komplette Genomsequenz von Weizen zu entziffern. Doch die Kenntnis der Erbgutinformation ist ein Schlüssel, den Pflanzenzüchter zur Entwicklung neuer und anpassungsfähiger Sorten dringend benötigen. Seit den 1980er Jahren hinken die Möglichkeiten der Weizengenetik denen bei anderen Nutzpflanzen – etwa Reis – hinterher. Ein internationales Konsortium hat sich deshalb darangemacht, das Weizengenom im Detail auseinanderzunehmen und das Erbgut vollständig zu entschlüsseln. Zwar hatten die Forscher bereits 2012 im Fachjournal Nature eine erste . Doch hieraus ging nicht hervor, wo im Genom welches Gen tatsächlich verortet ist.

Chromsom 3B vollständig entziffert

Also hieß es zunächst: kleinere Brötchen backen. Die Forscher haben dazu das gigantische Genom in seine kleineren Einheiten, nämlich seine 21 einzelnen Chromosomen, zerlegt. Ihre Überblickskarte mit der vorläufigen Gensequenzen stellen sie nun in Science (2014, Bd. 345, Ausg. 6194) vor. Ein Chromosom, 3B, haben sie zudem vollständig entziffert und damit eine erste Referenzsequenz vorgelegt. Klaus Mayer, Leiter der Abteilung für Genom- und Systembiologie der Pflanzen am Helmholtz Zentrum München, war mit seinem Team federführend an der Analyse beteiligt und konnte zudem Einblicke in das komplexe Wechselspiel der Genregulation gewinnen.

Vorteile für die Pflanzenzüchtung  

„Je besser wir die Organisation, Funktion und Evolution des großen, polyploiden Genoms verstehen, umso leichter können wir die für die Züchtung wichtigen Gene identifizieren“, erklärt Mayer. „So wird es möglich, für unterschiedliche Standorte eine möglichst geeignete Pflanze zu züchten“. „Die neu gewonnenen Einsichten in die Biologie des Weizengenoms ermöglichen uns, Gene rascher zu isolieren und die Entwicklung von Markern für die Züchtung voranzutreiben. Das sind die Grundbausteine für die Herausforderung, den zunehmenden Bedarf der Welternährung bei stagnierenden Erträgen, Pflanzenkrankheiten und einem sich ändernden Klima erfolgreich zu begegnen“, sagt Mayer.