Pflanzengenetik

Genom der Fingerhirse erstmals entschlüsselt

Dank einer neuartigen Kombination modernster Technologien konnten Forschende der Universität Zürich das große, komplexe Genom der Fingerhirse erstmals in hoher Qualität entschlüsseln. Eine zentrale Grundlage, um die Ernährungssicherheit in Ländern wie Indien und Regionen Afrikas zu verbessern.

Fingerhirse-Anbau in Indien (Bild: Mathi Thumilan Balachadran).

Fingerhirse verfügt über zwei wichtige Eigenschaften: Die Getreideart ist reich an wichtigen Mineralstoffen und resistent gegenüber Trockenheit und Hitze. Für viele arme Bauern in Indien und Afrika ist die Fingerhirse ein wichtiges Grundnahrungsmittel. Die Getreideart ist nicht nur eine reichhaltige Quelle von Mineralstoffen wie Calcium, Eisen, Magnesium und Zink und enthält viele Vitaminen und essentielle Aminosäuren. Die Kulturpflanze zeichnet sich auch aus durch ihre Resistenz gegenüber Trockenheit und Hitze. Da sie sehr gesund und zudem glutenfrei ist, wird sie zunehmend auch in Industrieländern als Lebensmittel verwendet. Trotz ihrer Wichtigkeit hat Fingerhirse wissenschaftlich bisher nur sehr wenig Beachtung gefunden.

Großes und komplexes Genom

Fingerhirse ist durch die Verschmelzung von zwei verschiedenen Pflanzenarten entstanden. Die Pflanze ist daher polyploid, das heißt sie verfügt über einen vierfachen Satz an Chromosomen und besitzt nahezu doppelt so viele Gene wie ihre Ursprungsarten. Die Größe und Komplexität ihres Genoms verleiht der Fingerhirse ihre Widerstandsfähigkeit. Gleichzeitig hat dies die Genomforschung enorm erschwert. Nun hat es ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Zürich erstmals geschafft, das komplexe Genom der Fingerhirse in hoher Qualität zu entschlüsseln. Es umfasst rund 2,6 Milliarden Basenpaare und besitzt mehr als 62300 Gene – rund doppelt so viele wie beispielsweise Reis.

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Neue Strategie zur Genom-Sequenzierung und -Kartierung

Gut 57900 Fingerhirse-Gene – mehr als 90 Prozent – kommen in mehr als zwei Kopien vor. Da deren DNA-Sequenzen sehr ähnlich sind, war es schwierig, die zahlreichen entschlüsselten DNA-Abschnitte im gesamten Genom korrekt anzuordnen. Es gelang dem Team um Kentaro Shimizu, Professor am UZH-Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften, in Zusammenarbeit mit Ralph Schlapbach and Sirisha Aluri vom Functional Genomics Center der Universität und ETH Zürich diese Schwierigkeiten zu überwinden. Dazu kombinierten die Wissenschaftler eine ausgeklügelte, von Masaomi Hatakeyama entwickelte Bioinformatikstrategie mit den modernsten Sequenzierungsmethoden sowie einer neuen Technologie, dank der sich lange einzelne DNA-Moleküle im Genom optisch kartieren lassen. „Unsere neu entwickelte Strategie wird helfen, das Genom von weiteren polyploiden Kulturpflanzen zu bestimmen, die sich bisher nicht ermitteln ließen“, sagt Shimizu.

Nährstoffversorgung und Trockenheitsresistenz verbessern

In diesem Projekt arbeitete ein interdisziplinäres Team von Forschenden aus Zürich und dem indischen Bangalore zusammen. Unterstützt wurde die Arbeit von der Indo-Swiss Collaboration in Biotechnology (ISCB), einem bilateralen Forschungs- und Entwicklungsprogramm, das von den Regierungen der Schweiz und Indien sowie der Japan Science and Technology Agency finanziert wird. Ziel ist es, in Indien die Ernährungssicherheit zu verbessern und die Entwicklung der biotechnologischen Forschung zu unterstützen. „Die nun vorliegenden Genomdaten der Fingerhirse eröffnen zahlreiche Möglichkeiten für die moderne Pflanzenzucht. Einerseits, um den Mineralstoffmangel vieler Menschen in Indien aber auch in industrialisierten Ländern zu bekämpfen, und andererseits, um wichtige Kulturpflanzen widerstandsfähiger gegenüber Trockenheit und Dürre zu machen“, betont Shimizu.

Literatur

Multiple hybrid de novo genome assembly of finger millet, an orphan allotetraploid crop. DNA Research. 5 September 2017. DOI: 10.1093/dnares/dsx036.

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