Die Genomrekonstruktion öffnet Türen zur Transformation der Kartoffelzüchtung

Mehr als 20 Jahre nach der ersten Freisetzung des menschlichen Genoms haben Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln erstmals das hochkomplexe Genom der Kartoffel entschlüsselt. Ihre beeindruckende technische Meisterleistung, veröffentlicht in Naturgenetikwird die Bemühungen beschleunigen, überlegene Sorten zu züchten.

Die Kartoffel wird weltweit immer mehr zu einem festen Bestandteil der Ernährung, einschließlich asiatischer Länder wie China, wo Reis das traditionelle Grundnahrungsmittel ist. Aufbauend auf dieser Arbeit können wir nun die genomgestützte Züchtung neuer Kartoffelsorten umsetzen, die ertragreicher und auch klimaresistenter sein werden – dies könnte einen enormen Einfluss auf die Ernährungssicherheit der kommenden Jahrzehnte haben“, sagt Prof. Korbinian Schneeberger über das Potenzial seiner Studie.

Wer heute Kartoffeln auf einem Markt einkauft, kann gut davon ausgehen, dass der Käufer mit einer Sorte nach Hause geht, die es schon vor über 100 Jahren gab. Dies ist ein Beweis für die anhaltende Beliebtheit traditioneller Kartoffelsorten. Es unterstreicht jedoch auch den Mangel an genetischer Vielfalt der vorherrschenden Kartoffelsorten. Dies kann schwerwiegende Folgen haben, am dramatischsten während der irischen Hungersnot in den 1840er Jahren, als mehrere Jahre lang fast die gesamte Kartoffelernte im Boden verfaulte und Millionen von Menschen in Europa an Hunger litten, nur weil die angebaute einzige Sorte nicht resistent war zu neu auftretendem Knollenfäule. Während der Grünen Revolution der 1950er und 1960er Jahre gelang es Wissenschaftlern und Pflanzenzüchtern, große Ertragssteigerungen bei vielen unserer wichtigsten Grundnahrungsmittel wie Reis oder Weizen zu erzielen. Die Kartoffel hat jedoch keinen vergleichbaren Aufschwung erfahren, und Bemühungen, neue Sorten mit höheren Erträgen zu züchten, sind bis heute weitgehend erfolglos geblieben.

Der Grund dafür ist einfach, hat sich aber als schwierig zu lösen erwiesen – anstatt eine Kopie jedes Chromosoms sowohl vom Vater als auch von der Mutter zu erben (wie beim Menschen), erben Kartoffeln zwei Kopien jedes Chromosoms von jedem Elternteil, was sie zu einer Spezies mit macht vier Kopien jedes Chromosoms (tetraploid). Vier Kopien jedes Chromosoms bedeuten auch vier Kopien jedes Gens, und das macht es äußerst schwierig und zeitaufwändig, neue Sorten zu erzeugen, die eine gewünschte Kombination individueller Eigenschaften aufweisen; darüber hinaus machen mehrere Kopien jedes Chromosoms die Rekonstruktion des Kartoffelgenoms zu einer weitaus größeren technischen Herausforderung als dies beim menschlichen Genom der Fall war.

Forscher in der Gruppe von Prof. Korbinian Schneeberger haben diese langjährige Hürde genommen und konnten mit einem einfachen, aber eleganten Trick den ersten vollständigen Zusammenbau eines Kartoffelgenoms generieren. Anstatt zu versuchen, die vier oft sehr ähnlichen Chromosomenkopien voneinander zu unterscheiden, umgingen Korbinian Schneeberger zusammen mit Hequan Sun und Mitarbeitern dieses Problem, indem sie die DNA zahlreicher einzelner Pollenzellen sequenzierten. Im Gegensatz zu allen anderen Zellen enthält jede Pollenzelle nur zwei zufällige Kopien jedes Chromosoms; Dadurch konnten die Wissenschaftler die Komplexität des Problems reduzieren und schließlich die Sequenz des gesamten Genoms rekonstruieren.

Ein Überblick über die vollständige DNA-Sequenz von Kulturkartoffeln hat das Potenzial, die Züchtung erheblich zu erleichtern, und ist bereits seit vielen Jahren ein Ziel von Wissenschaftlern und Pflanzenzüchtern. Mit diesen Informationen können Wissenschaftler jetzt leichter Genvarianten identifizieren, die für erwünschte oder unerwünschte Merkmale verantwortlich sind, ein erster Schritt, um sie während der Zucht einzubauen oder auszuschließen.