A subgenome-resolved and chromosome-scale reference genome assembly of allotetraploid wheat wild relative Aegilops peregrina

Weizen ist das Fundament der weltweiten Nahrungsmittelversorgung und ernährt jeden Tag Milliarden von Menschen. Doch der Weizen, den wir heute essen, bekannt als Brotweizen, trägt einen genetischen Flaschenhals in sich. Da er durch eine begrenzte Anzahl urzeitlicher Hybridisierungsprozesse entstanden ist, ist seine genetische Vielfalt gering, was ihn anfällig für neue Krankheiten und wechselnde Klimabedingungen macht. Um diese lebenswichtige Kulturpflanze zu schützen, richten Wissenschaftler ihren Blick auf ihre wilden Verwandten – Pflanzen, die in den Feldern und Wüsten neben den kultivierten Feldern wachsen. Diese Wildarten haben sich über Jahrtausende hinweg entwickelt, um unter extremen Bedingungen zu überleben, und bewahren eine riesige Bibliothek genetischer Merkmale für Dürretoleranz, Krankheitsresistenz und Nährwert, die der domestizierte Weizen verloren hat. Einer solcher Verwandter ist ein wildes Gras namens Aegilops peregrina, eine Pflanze mit vier Chromosomensätzen, die in der Mittelmeerregion gedeiht und über starke Abwehrmechanismen gegen verheerende Pilzkrankheiten wie den Schwarzrost verfügt.

Jahrzehntelang haben Züchter versucht, diese nützlichen Merkmale von wilden Gräsern in den Weizen zu übertragen, doch der Prozess war langsam und schwierig. Ohne eine vollständige und detaillierte Karte des genetischen Codes der Wildpflanze war es für Wissenschaftler im Wesentlichen so, als versuchte man, eine bestimmte Nadel im Heuhaufen zu finden, ohne zu wissen, wie die Nadel aussieht oder wie der Heuhaufen organisiert ist. Das Genom von Aegilops peregrina ist besonders komplex, da es ein Allotetraploid ist, was bedeutet, dass es zwei unterschiedliche Chromosomensätze enthält, die von verschiedenen Ahnenarten geerbt wurden. Diese duale Natur macht es schwierig, mithilfe standardmäßiger Sequenzierungsmethoden ein klares Bild seiner DNA zu erstellen, da die zwei Sätze von Anweisungen oft so ähnlich aussehen, dass Computer Schwierigkeiten haben, sie voneinander zu unterscheiden.

In einem bedeutenden Schritt nach vorn hat ein Forscherteam nun die erste hochwertige, chromosomale Karte des Genoms von Aegiloperina peregrina erstellt. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Pflanzenprobe, bekannt als Akzession PI 604178, die in den Küstenebenen von Israel gesammelt wurde und für ihre Fähigkeit bekannt ist, Dürre zu widerstehen und aggressive Stämme des Schwarzrosts zu bekämpfen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Sequenzierungstechnologien, die lange, kontinuierliche DNA-Stränge lesen und diese dann basierend darauf organisieren, wie die DNA innerhalb der Zelle gefaltet ist, konstruierten die Wissenschaftler ein vollständiges Referenzgenom. Diese Assemblierung ist gewaltig und enthält über 10 Milliarden Basenpaare an genetischen Informationen. Den Forschern gelang es, diese Informationen in 14 distinkte Chromosomen zu sortieren und die zwei Ahnen-Sets, die sie Sᵖ und Uᵖ nannten, zu trennen, um einen klaren und organisierten Bauplan ihres genetischen Aufbaus zu erstellen.

Die Qualität dieser neuen Karte ist außergewöhnlich hoch und ermöglicht es Wissenschaftlern, das Genom mit beispielloser Klarheit zu sehen. Die Forscher fanden heraus, dass der Großteil des genetischen Materials, fast 99 Prozent, erfolgreich an diesen 14 Chromosomen verankert werden konnte. Die Assemblierung ist so kontinuierlich, dass das durchschnittliche Puzzleteil fast 26 Millionen Basenpaare lang ist und das größte einzelne Stück über 111 Millionen Basenpaare umfasst. Dieses Detailniveau ist entscheidend, da es den Forschern ermöglicht, zwischen den beiden Subgenomen zu unterscheiden und sie unabhängig voneinander zu untersuchen. Das Team bestätigte auch die Genauigkeit ihrer Karte, indem es spezifische Marker an den Enden der Chromosomen überprüfte und die Ergebnisse mit den Genomen der bekannten Vorfahren der Pflanze verglich, wobei eine starke Übereinstimmung gefunden wurde, die die Ordnung und Orientierung der Gensequenzen validiert.

Innerhalb dieses genetischen Bauplans entdeckten die Forscher, dass die DNA der Pflanze von repetitiven Elementen dominiert wird, die mehr als 85 Prozent des Genoms ausmachen. Dies sind Abschnitte der DNA, die sich selbst im gesamten Genom kopieren und einfügen – ein häufiges Merkmal in großen Pflanzengenomen, das Sequierungsbemühungen oft erschwert. Trotz dieser Komplexität identifizierte das Team erfolgreich fast 60.000 High-Confidence-Gene, welche die funktionellen Einheiten sind, die die Pflanze aufbauen und ihre Merkmale bestimmen. Diese Gene waren fast gleichmäßig zwischen den beiden Subgenomen verteilt, was auf eine ausgewogene evolutionäre Geschichte hindeutet. Die Forscher kartierten auch die Chloroplasten- und Mitochondrien-Genome der Pflanze, welche die energieliefernden Systeme innerhalb der Zelle darstellen, und lieferten so ein vollständiges Bild der genetischen Maschinerie des Organismus.

Dieses Referenzgenom dient als leistungsstarkes neues Werkzeug zur Verbesserung der globalen Ernährungssicherheit. Durch den Besitz einer präzisen Karte von Aegilops peregrina können Züchter nun die exakten Orte der Gene identifizieren, die für die Resistenz gegen Krankheiten wie Schwarzrost und die Toleranz gegenüber Dürre verantwortlich sind. Sie können diese spezifischen Gene verfolgen, während sie in Weizenkulturen übertragen werden, um sicherzustellen, dass die vorteilhaften Merkmale erfolgreich übertragen werden, ohne unerwünschte genetische Last mitzubringen. Die Ressource ist nun öffentlich zugänglich und ermöglicht es Wissenschaftlern weltweit, diesen detaillierten genetischen Rahmen zu nutzen, um verschiedene Arten zu vergleichen, zu verstehen, wie diese Pflanzen evolvierten, und die Entwicklung von Weizensorten zu beschleunigen, die den Umweltherausforderungen der Zukunft standhalten können. Diese Arbeit verwandelt ein wildes Gras von einer mysteriösen Quelle der Resistenz in eine gut verstandene genetische Ressource, die bereit ist, für die dringende Aufgabe der Sicherung der weltweiten Nahrungsmittelversorgung eingesetzt zu werden.