Ein internationales Forschungsteam, geleitet vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), hat einen bedeutenden Fortschritt in der Züchtung von Roggen und Weizen erzielt. Dies wurde durch die Veröffentlichung eines hochqualitativen Referenzgenoms ermöglicht, das die wissenschaftliche Grundlage zur Erforschung und Züchtung dieser wichtigen Kulturpflanzen entscheidend verbessert. Die neue Sequenz bietet erstmals die vollständige Darstellung der Zentromere aller sieben Chromosomenpaare von Roggen. Zentromere sind essentielle Strukturen für die korrekte Verteilung der genetischen Information während der Zellteilung.
Roggen ist nicht nur eine widerstandsfähige und ertragreiche Kulturpflanze, sondern spielt auch eine bedeutende Rolle als genetische Quelle für die Weizenzüchtung. Die evolutionäre Verbindung von Roggen mit Gerste und Weizen ist tief verwurzelt, jedoch hat Roggen eine kürzere Geschichte als Nutzpflanze. Während Gerste und Weizen vor etwa 10.000 Jahren im fruchtbaren Halbmond Vorderasiens domestiziert wurden, trat Roggen zunächst als Ackerunkraut in Erscheinung. Im Laufe der Zeit übernahm Roggen Eigenschaften seiner Verwandten und entwickelte sich vor 5.000 bis 6.000 Jahren zu einer eigenständigen Kulturart, die im Mittelalter in Nordeuropa als Hauptquelle für Brotgetreide populär wurde.
Das Roggengenom ist äußerst komplex. Es ist nicht nur größer als das menschliche Genom, sondern besteht auch zu einem erheblichen Teil aus sich wiederholenden DNA-Sequenzen. Frühere Referenzgenome, wie das 2021 am IPK veröffentlichte, waren für die Forschung von hohem Wert, wiesen jedoch Lücken und Ungenauigkeiten auf. Diese unvollständigen Sequenzen beinhalteten falsch ausgerichtete Abschnitte und nicht ausreichend abgebildete Zentromere, die für die Zellteilung entscheidend sind.
Um diese Herausforderungen zu überwinden, hat das Forschungsteam modernste Sequenziertechnologien eingesetzt, die durch die Förderung von Bund und Ländern bereitgestellt wurden. Zuerst wurden lange DNA-Moleküle der etablierten Roggenlinie Lo7 analysiert, um besonders komplexe Genomregionen effizient zu entschlüsseln. Anschließend ordneten die Wissenschaftler diese DNA-Stücke korrekt den sieben Chromosomen zu. Die Qualität der neuen Referenzsequenz wurde durch mehrere unabhängige Methoden überprüft, was die hohe Verlässlichkeit der Daten bestätigte.
Dr. Erwang Chen, der Erstautor der Studie, beschreibt die neue Referenzsequenz als einen „Quantensprung“ für die Roggenforschung und -züchtung. Sie ist vollständiger, korrigiert frühere Fehler und eröffnet neue Möglichkeiten zur Analyse und Nutzung bislang schwer zugänglicher Genomregionen. Insbesondere die korrekte Darstellung der Zentromere stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da diese Bereiche zuvor nur schwer zu entschlüsseln waren.
Die Forscher entdeckten zudem, dass bestimmte bewegliche DNA-Elemente, bekannt als Transposons, in den Zentromeren von Roggen aktiv waren. Dies weist darauf hin, dass sich diese Strukturen zwischen verwandten Getreidearten unterschiedlich entwickeln können, was zu funktionalen Variationen führt.
Ein besonders interessantes Ergebnis betrifft den kurzen Arm des Roggenchromosoms 1R, der bereits in mehrere Weizensorten integriert wurde. Diese Übertragung hat die Eigenschaften wie Krankheitsresistenz und Ertrag verbessert. Die Studie zeigt, dass die in Weizen verwendeten Abschnitte des 1R-Arm nahezu identisch sind, während Roggen in diesem Bereich eine größere genetische Variabilität aufweist. Dies deutet darauf hin, dass das volle Potenzial der Roggenvielfalt bislang ungenutzt bleibt.
Prof. Dr. Nils Stein, Leiter der Abteilung „Genbank“ am IPK, betont, dass die Fortschritte in der Genomsequenzierung von Roggen den nächsten Schritt in der Forschung ermöglichen. Im Rahmen des Projekts „RyeHub“, das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert wird, wird ein Pangenom für Roggen erstellt. Dies dient der systematischen Erschließung der genetischen Vielfalt und ist ein wichtiger Schritt für zukünftige Züchtungsstrategien.
Insgesamt stellt die neue Referenzsequenz einen entscheidenden Fortschritt für die Züchtung von Roggen und Weizen dar, indem sie den Zugang zu genetischen Informationen erleichtert und die Grundlage für innovative Züchtungsansätze legt.
