Mit DNA-Sequenzierung zur Ursache der Vielfalt bei Birken

Bäume erfüllen wertvolle Funktionen wie Kohlenstoffbindung, Lieferung von Holz und Erhalt von Ökosystemen. Das EU-finanzierte BETWOOD-Projekt wollte mehr über ihre Anpassungsfähigkeit herausfinden und dazu erforschte es das Erbgut der Silberbirke.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

BETWOOD nutzte Durchbrüche in der Sequenztechnologie der nächsten Generation, um das Genom von Birken abzubilden, die mehrere geografisch getrennte Populationen (in Mittel- und Nordeuropa sowie in Sibirien und Asien) repräsentierten. Genomsequenzierung ermöglichte es dem Team außerdem, in Frage kommende Gene wie etwa LAZY zu identifizieren, die der Erschaffung von speziellen Baumformen zugrundeliegen und Hinweise auf Anpassungsprozesse liefern. Anfang dieses Jahres präsentierte die Zeitschrift Nature Genetics BETWOOD als integralen Bestandteil umfassenderer Anstrengungen zur Sequenzierung des Silberbirkengenoms. „Jetzt können wir die molekulare Basis der Baummerkmale identifizieren!“ Seit langem wissen die Forscher um die Variation zwischen Birken innerhalb eines einzigen Waldes sowie an verschiedenen geografischen Orten auf der ganzen Welt. BETWOOD konnte neue DNA-Sequenzierungsmethoden nutzen, um die molekulare Basis einer solchen Variation zu suchen. Zur Methodik sagt BETWOOD-Forscherin Dr. Kaisa Nieminen: „Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung ist jetzt wirklich kostengünstig, wobei die Preise auch während der Projektperiode deutlich gesunken sind. Die eigentliche Herausforderung war, wie man die daraus resultierende Bioinformatik interpretiert.“ Die Antwort bestand darin, ein ganzes Team von Bioinformatikern in der Interpretation neuartiger Genomikdaten weiterzubilden. In Hinsicht auf die geografische Analyse der Silberbirke (Betula pendula) mit sogenannten selektiven Sweeps konnte das Team feststellen, dass die lokale Anpassung den zeitlichen Ablauf grundlegender Pflanzenprozesse beeinflusst hatte. Das Team beobachtete, dass die genetische Variation rund um die eng verbundenen Lichtreaktionsgene PHYC und FRS10 mit Breiten- und Längengrad sowie Temperatur korrelierten. Die gleiche Korrelation wurde für die Variation des wachstumsfördernden Cytokinin-Response-Reglers ARR1 und der Holzentwicklungsgene KAK und MED5A festgestellt. Bei der Analyse von speziellen Wachstumsformen identifizierte BETWOOD auch eine Stopp-in-Frame-Mutation im LAZY1-Ortholog (Gene, die sich aus einem gemeinsamen Vorläufergen entwickelt haben) der Arabidopsis-Gattung. Das Team arbeitet derzeit an der Bestätigung, ob diese Mutation den in verschiedenen Gärten in ganz Europa populären Phänotyp der „Hängebirke“ erklärt. Diese Polymorphismen und Mutationen bilden eine solide Grundlage für die weitere genetische Analyse von Baummerkmalen. Als Leiter des Birkengenom-Projekts äußert Professor Ykä Helariutta folgende Überlegung: „Es kam etwas unerwartet, Kandidatengene für bestimmte Merkmale identifizieren zu können, indem man einfach die Variante neu sequenzierte und mit dem Referenzgenom verglich. Eine solche Analyse war vor fünf Jahren bei keiner Pflanzensorte außer Arabidopsis möglich. Jetzt können wir die molekulare Basis der Baummerkmale tatsächlich identifizieren!“ Die Arbeit geht weiter Wälder dienen als wichtige Kohlendioxidsenken, die für die Bekämpfung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung sind. Kohlendioxid wird von Bäumen durch Photosynthese absorbiert, aber Kohlendioxid, das durch den Treibhauseffekt in die Atmosphäre freigesetzt wird, wird auch direkt auf Baumstämmen abgelagert. Für Projektkoordinatorin Professorin Katri Kärkkäinen ist es wichtig, die Physiologie dieses Prozesses zu verstehen, denn, wie sie argumentiert, „die Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre, die durch die globale Erwärmung verursacht werden, wirken sich auch auf den Wachstumszustand der Bäume aus. Und da Holz eine wichtige industrielle Ressource ist, kann ein besseres genetisches Verständnis dieses Materials seine Nutzung in einer nachhaltigeren Weise erleichtern und möglicherweise zu völlig neuartigen zukünftigen Nutzungen beitragen.“ Jetzt, da BETWOOD zur Etablierung der Birke als neues genetisches Modell beigetragen hat, beabsichtigt das Team, ihre kurze Generationszeit (etwa ein Jahr, sehr kurz für eine Baumart) weiter zu erkunden, um die genetischen Variationen, die zu ihrer geografischen und phänotypischen Vielfalt führen, weiterführend zu erforschen.

Schlüsselbegriffe

BETWOOD, Genom, DNA-Sequenzierung, Silberbirke, Bioinformatik, Betula Pendula, Gen, Adaptation, Anpassung, Variation, Wachstumsformen, Mutation, Polymorphismen, Arabidopsis

Identification of novel regulators of growth and wood formation by studying natural variation in Arabidopsis and Betula pendula, a novel model tree

Mit DNA-Sequenzierung zur Ursache der Vielfalt bei Birken

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