Die Erbinformation einer Pflanze zeigen stets nur einen kleinen Ausschnitt der genetischen Vielfalt. In der Pangenomik wird das Erbgut zahlreicher Individuen verglichen – mit weitreichenden Folgen für Forschung und Züchtung.
Am 14. Dezember 2000 war es einer 100-köpfigen, internationalen Expertengruppe, nach gut 10 Jahren, das vollständige Erbgut (Genom) von Arabidopsis thaliana, dem Acker-Schmalkraut, zu entschlüsseln.
Seitdem hat sich die Pflanzenforschung enorm verändert. Grund sind die rasanten Fortschritte in der DNA-Sequenzierung und der Genanalyse. Die systematische Untersuchung des gesamten Erbgutes einer Pflanze hat inzwischen Einzug in nahezu alle Bereiche der Pflanzenbiologie gehalten: von der Aufklärung evolutionärer Zusammenhänge über die Identifikation ackerbaulich wichtiger Gene bis hin zur beschleunigten Züchtung neuer Sorten. Die Genomik hat dazu beigetragen, komplexe Merkmale wie Trockenstresstoleranz, Krankheitsresistenz oder Ertragsbildung besser zu verstehen und gezielter zu beeinflussen.
Doch eine einzige Referenzpflanze bildet immer nur einen Ausschnitt der Genetischen Vielfalt ab – meist stammt sie von einer einzelnen, kultivierten Sorte. Viele Gene, vorrangig solche, die für die Anpassung an spezielle Umweltbedingungen oder für bestimmte Resistenzen wichtig sind, fehlen darin, oder liegen in anderer Form vor.
Hier setzt das Konzept der Pangenomik an: Statt nur ein einzelnes Genom zu betrachten, werden viele verschiedene Individuen einer Art sequenziert und verglichen. Dadurch lässt sich nicht nur das sogenannte Kern-Genom erfassen, also jene Gene, die allen Vertretern gemeinsam sind, sondern auch die variablen Anteile, die zwischen verschiedenen Linien stark schwanken können. Diese genetische Vielfalt ist von großer Bedeutung für die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen an sich verändernde Umweltbedingungen.
Der Übergang vom Einzelgenom zum Pangenom markiert somit einen Paradigmenwechsel in der Pflanzenforschung. Aus genetisch vielfältigen Pflanzenpopulationen wählen Forschende mithilfe umfassender Genomtypdaten Vertreter aus, die die gesamte Vielfalt möglichst gut abbilden. Für eine kleine, aber besonders aussagekräftige Auswahl dieser repräsentativen Genotypen wird das gesamte Genom auf Chromosomenebene entschlüsselt. Daraus lassen sich verschiedene Bereiche des Pangenoms identifizieren; das Kern-Genom (Sequenzen, die bei allen Individuen einer Art vorkommen) und der variable Genomanteil (Sequenzen die nur bei einigen wenigen Individuen vorhanden sind). Das Kern-Genom umfasst alle Gene, die in jedem Individuum vorhanden sind und essentielle Funktionen sicherstellen. Die variablen Gene, sind solche, die in einem Teil der Population vorkommen und oft Anpassungsprozesse oder umweltabhängige Reaktionen steuern. Genetische Elemente, die nur in einzelnen Linien oder Populationen zu finden sind und potentiell wertvoll, bisher unbekannte Merkmale codieren, werden als spezifische Gene bezeichnet. Das Pangenom liefert somit nicht nur ein vollständiges Bild der genetischen Ausstattung einer Art, sondern bildet auch die Grundlage für die Identifikation von Genen, die in bestimmten Kontexten etwa bei Stress oder Krankheit – eine bedeutende Rolle spielen.
Spezialisierte Pangenom-Browser sollen es künftig ermöglichen komplexe, strukturelle Varianten, Genkopien und deren Verteilung über verschieden Linien hinweg interaktiv darzustellen und zu analysieren. Solche Werkzeuge sind entscheidend, um die gewonnenen Erkenntnisse effizient in biologische und züchterische Kontexte zu überführen.
Darüber hinaus gewinnen ergänzende Technologien wie die Genomeditierung mittels Crisper-Cas-System an Bedeutung. Nach dem pangenomischen Analysen potenzielle Zielgene identifiziert haben, lassen sich diese mithilfe von Genomeditierung präzise verändern
Die Kombination aus umfassender Datenerfassung und gezielter Manipulation bietet enorme Chancen, um neue, widerstandsfähige und ertragreiche Sorten zu entwickeln. Der technologischen Fortschritte wirkt sich somit auf allen Ebenen der Pangenomik aus – von der Datenerhebung über die Analyse bis hin zur praktischen Anwendung in der Züchtung. Sie sind der Schlüssel, um das enorme Potential genetischer Diversität in konkrete Lösungen für die Landwirtschaft umsetzen.
MO
Quellen:
Spektrum der Wissenschaft, 12/25
Martin Mascher, Forschungsgruppe Domestikationgenomik am Leibniz-Institut für Pflanzenforschung
Brockhurst, M. A. et al.Curret Biology 10.1016/j.cub 2019. 08.012, 20219
Dawson, I. K. et al. New Phytology 10.111/nph. 13266,2015
The Arabidopsis Genom Iniative, Nature 10.1038/35048692,2000