Kartoffelgenom entschlüsselt

Forscher haben das Genom eines der weltweit wichtigsten Grundnahrungsmittel, der Kartoffel, entschlüsselt: Sie sequenzierten 86 Prozent der 844 Millionen Basenpaare umfassenden DNA der Knollenpflanze. Darin fanden sich mehr als 39.000 proteinkodierende Gene. „Angesichts der entscheidenden Rolle der Kartoffel für die Welternährung und Ernährungssicherheit bietet das Kartoffelgenom nun eine neue Ressource für die Züchtung“, schreiben die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

Die Kartoffel gilt als genetisch besonders komplex, die meisten Sorten besitzen einen vierfachen Chromosomensatz. Mit der Sequenzierung eröffnen die Forscher des internationalen Potato Genome Sequencing Consortium neue Möglichkeiten, vor allem die Krankheitsanfälligkeit der Pflanzen zu vermindern. „Die Wissenschaft wird eine Weile brauchen, um diese Geninformationen zur Verbesserung von Anbaueigenschaften wie dem Ertrag, der Trockentoleranz und der Krankheitsresistenz einsetzen zu können. Aber unsere Forschung wird die Bemühungen beschleunigen“, sagt Robin Buell von der Michigan State University, einer der Leiter der Studie. Die Sequenzierung ergab auch Hinweise darauf, dass sich das Erbgut der Kartoffel wahrscheinlich an zwei Punkten seiner Evolution verdoppelte.

Grundnahrungsmittel mit schwieriger Genetik

Rund 300 Millionen Tonnen Kartoffeln werden weltweit produziert. Die stärkereichen Knollen sind ein wichtiges Grundnahrungsmittel. Zwar existieren bereits gentechnisch optimierte Sorten, beispielsweise zur industriellen Stärkeproduktion. Eines der größten Probleme jedoch, die hohe Anfälligkeit für Pilz- und Bakterienkrankheiten, konnte bisher nicht behoben werden. Die gezielte Züchtung krankheitsresistenter Sorten wurde durch die komplizierte Genetik der Kartoffel erschwert.

„Diese Merkmale stellen eine signifikante Barriere zur Optimierung mit klassischen Züchtungsmethoden dar. Die Herausforderung für die wissenschaftliche Gemeinschaft besteht daher darin, eine Genomsequenz zu erhalten, die Verbesserungen vereinfacht“, sagen die Forscher. Um diese zu erhalten, nutzten sie sowohl klassische Methoden der Sequenzierung als auch mikroskopische Analysen des Erbgutmaterials zweier Kartoffelsorten.

Die beiden analysierten Kartoffelsorten (rosa und weiß) sowie eine Mischform beider (rot). © Richard Veilleux

Kombination von Sequenzierung und mikroskopischer Analyse

Für die mikroskopische Analyse fixierten und präparierten die Wissenschaftler Kartoffelzellen im Moment ihrer Teilung. In dieser Phase ist die DNA auf die zwölf gut sichtbaren Chromosomen verteilt. Färbeverfahren erlauben es dann, genreiche von genärmeren Regionen zu unterscheiden. Auch die Frage, wo genau in der Sequenz ein neues Chromosom beginnt, konnte so geklärt werden. „Durch die Sequenzierung allein ist es schwierig, diese Art der Information zu erhalten. Aber die zytogenetische Analyse kann dazu beitragen, die Sequenz individuellen Chromosomen zuzuordnen. Die zytogenetische Kartierung liefert damit quasi eine Vogelperspektive der Kartoffelchromosomen“, sagt Jiming Jiang, einer der 20 Forscher aus 14 Ländern, die am Projekt beteiligt waren.

Die Ergebnisse der Analysen zeigen unter anderem, dass sich die Pflanzenfamilien von Kartoffeln und Wein – Asteridae und Rosiae – vor rund 89 Millionen Jahren trennten. Im Laufe der Evolution verdoppelte sich das Erbgut der Kartoffel einmal vor 185 Millionen Jahren und damit vor der Trennung beider Gruppen. Das zweite Mal geschah dies vor rund 67 Millionen Jahren, kurz vor dem Ende der Kreidezeit. (Nature, 2011; DOI: 10.1038/nature10158)

(Nature / dapd, 11.07.2011 – NPO)