Eine neue Genotypisierungsplattform automatisiert die DNA-Probenvorbereitung bei Embrapa Trigo (RS) und erweitert die Kapazitäten für die genetische Analyse von Weizenpflanzen. Die Technologie verkürzt die benötigte Zeit von Tagen auf etwa 12 Stunden, senkt die Forschungskosten und beschleunigt die Identifizierung genetischer Marker, die mit Produktivität und Krankheitsresistenz in Zusammenhang stehen.
Dieser Fortschritt wurde durch die Weiterentwicklung des Genotypisierungsverfahrens ermöglicht – einer Technik, die die Identifizierung von Variationen in der DNA eines Individuums erlaubt. „Innerhalb von zwei Jahrzehnten wurde das Protokoll modernisiert, wobei manuelle Gelanalysen durch Elektrophoresesysteme ersetzt wurden – die ein elektrisches Feld zur Trennung von Molekülen nutzen – und in jüngster Zeit durch die Sequenzierung, die eine hochpräzise Genotypisierung im großen Maßstab ermöglicht“, erklärt Labortechniker Jordalan Muniz.
Die Sequenzierung der zweiten Generation ist mit der Anschaffung zweier neuer Geräte in den Arbeitsalltag des Biotechnologielabors von Embrapa Trigo integriert worden: dem ION Chef für die Probenvorbereitung und dem ION GeneStudio S5 Plus (siehe Foto unten) für die Sequenzierung. „Wir können nun die Arbeit eines ganzen Jahres in nur einer Woche erledigen. Das bedeutet eine deutliche Effizienzsteigerung, die Kosten senkt und die Gewinnung molekularer Daten für das Weizenzüchtungsprogramm von Embrapa beschleunigt“, erklärt Forscher Luciano Consoli.
Das Weizengenom ist fünfmal größer als das menschliche Genom. Die Sequenzierung des Genoms dieser Spezies im Jahr 2018 durch ein internationales Konsortium von Forschungseinrichtungen ermöglichte die Entwicklung neuer Werkzeuge zur Unterstützung biotechnologischer Arbeiten.
Das Team für Molekulargenetik bei Embrapa Trigo verfügt derzeit über Informationen zu 5 molekularen Markern für Weizen und 3.500 Markern für Gerste, die mit dieser Plattform kompatibel sind. Laut Labortechnikerin Tatiane Crespi trägt die Identifizierung von molekularen Markern, die mit Genen von Interesse assoziiert sind, zur Selektion von Linien mit wünschenswerten agronomischen Eigenschaften bei.
Diese Erkenntnisse führten zur Entwicklung eines Markerpanels für den Einsatz im Weizenanbau. Mithilfe einer Sequenzierungsplattform der zweiten Generation können 384 Proben gleichzeitig mit 202 Markern analysiert werden, wodurch etwa 80 Datenpunkte generiert werden.
Darüber hinaus ermöglicht die Genotypisierungsplattform die Auswertung spezifischer DNA-Sequenzabschnitte. „Das erste Ergebnis der Nutzung dieser Technologie zur Erzeugung molekularer Genotypisierungsdaten ist die gesteigerte Effizienz bei der Entwicklung neuer Sorten und der Identifizierung von Allelen oder Genfragmenten, die für Zuchtprogramme von Interesse sind. Hatten wir vorher eine eher kartografische Darstellung, verfügen wir nun über ein detaillierteres Bild mit Straßen und Wegweisern“, erklärt Consoli.
Die analysierten Weizensorten oder -linien, die die relevanten molekularen Marker aufweisen, können in den Kreuzungsblöcken von Zuchtprogrammen eingesetzt werden. Im Falle von Weizen werden diese Analysen bereits durchgeführt, beispielsweise im Rahmen der Arbeiten zur Erweiterung der genetischen Resistenzbasis gegen Krankheiten wie die Weizenbräune. Dies ist einer der etablierten Arbeitsbereiche von Embrapa Trigo, in dem molekulare Analysen und assistierte Selektion zum Einsatz kommen.
„Sobald ein molekularer Marker für Resistenzen, beispielsweise gegen die Reisbräune, in einer bestimmten Sorte identifiziert ist, können deren Pflanzen in das Züchtungsprogramm für Kreuzungszüchtungen aufgenommen werden“, erklärt die Forscherin Gisele Torres. Sie weist jedoch darauf hin, dass es bei Feldversuchen unerlässlich ist, die Reaktion der Pflanzen unter dem Einfluss des krankheitserregenden Pilzes zu analysieren.
„Das bloße Vorhandensein eines bestimmten Markers, selbst wenn DNA-Fragmente bekanntermaßen Resistenz verleihen, reicht nicht aus, um die Pflanzen, die ihn tragen, resistent zu machen. Die Arbeit der Biotechnologie ergänzt die Arbeit der Pflanzenzüchtung. Um die Wirksamkeit eines bestimmten molekularen Markers zu überprüfen, ist es daher unerlässlich, dass Pflanzenzüchter die Reaktion der Pflanzen auf den Krankheitserreger im Feld untersuchen“, fügt Torres hinzu.
Das Team erforscht weitere potenzielle praktische Anwendungen der Sequenzierungsplattform der zweiten Generation. So ist es beispielsweise möglich, aus Bodenproben DNA zu extrahieren, um Mikroorganismen zu identifizieren, die den Weizenanbau in einer bestimmten Region fördern können. Mit anderen Worten: Es wird ein molekulares Profil des Bodens erstellt, das anschließend mit Produktionsfaktoren korreliert wird.
Bei der Entwicklung von Weizensorten für Zöliakiepatienten ist es möglich, molekulare Marker zu charakterisieren, die mit Genen assoziiert sind, welche Proteine kodieren, die mit der Immunantwort auf Gluten in Zusammenhang stehen. Forscher beabsichtigen außerdem, weitere Möglichkeiten der Genexpressionsanalyse mittels RNA-Sequenzierung, Sequenzierung kleiner Genome (Mikroorganismen) und anderer Methoden zu untersuchen.
Consoli hebt die Begeisterung für die potenziellen Einsatzmöglichkeiten des Werkzeugs hervor: „Früher benutzten wir eine Lupe, dann ein Mikroskop und entwickelten uns weiter, um zu sehen, was in Pflanzen vorgeht. Jetzt können wir alle möglichen Variationen in pflanzlichen DNA-Fragmenten identifizieren, die mit der Abwehr und der Nutzung von Umweltressourcen zusammenhängen.“
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