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Genomsequenzierung pilzresistenter Weinreben

Am Julius-Kühn-Institut für Rebenzüchtung Geilweilerhof ist in Zusammenarbeit mit der Firma SEQ.IT mit der erstmaligen Sequenzierung einer pilzwiderstandsfähigen Rebsorte ("Regent") ein Meilenstein in der Züchtungsforschung für den Weinbau erzielt worden. Die Gesamtsequenzierung, die in dreifacher Abdeckung im Hochdurchsatzverfahren mittels Pyrosequenzierungs-Technik erfolgte, erlaubt jetzt, die für 'Regent' charakteristischen Mehltauresistenzen auf molekularer Ebene zu verstehen und die Resistenzmechanismen anhand der Funktion einzelner Gene nachzuvollziehen.

Die mehltauresistente Weinrebe "Regent" © JKI

Im Vergleich zu den großen Weinbauländern wie zum Beispiel Frankreich, Italien oder Spanien nehmen sich der Anbau und die Produktion von Wein in Deutschland bescheiden aus. Gerade einmal 105.000 Hektar oder 3 Prozent der gesamten Rebfläche der EU (3,6 Millionen Hektar) entfallen auf Deutschland. Regional hat der Weinbau jedoch, besonders im deutschen Südwesten, große wirtschaftliche Bedeutung. In Rheinland-Pfalz, das auf 64.500 Hektar (alle Zahlen von 2006) über 60 Prozent des deutschen Weines produziert, entfällt etwa die Hälfte des gesamten landwirtschaftlichen Produktionswertes auf den Weinbau. An der Pfälzer Weinstraße - in Siebeldingen in der Nähe von Landau/Pfalz - ist auch das Julius-Kühn-Institut (JKI) für Rebenzüchtung Geilweilerhof angesiedelt, an dem neue widerstandsfähige Rebsorten von hoher Qualität gezüchtet werden.

Das JKI für Rebenzüchtung Geilweilerhof in Siebeldingen © JKI

Deutschland ist seit Jahren weltweit führend in der Züchtung und im Anbau pilzresistenter Reben. Mit dem Anbau pilzresistenter Reben wird auch das Ziel verfolgt, die Verwendung umweltschädlicher Pflanzenschutzmittel einzuschränken. Gerade die für die Pfalz besonders wichtigen traditionellen Rebsorten wie Riesling oder Spätburgunder sind anfällig gegen den Echten und Falschen Mehltau (Uncinula necator bzw. Plasmopara viticola) und können, nachdem diese beiden Pilze im 19. Jahrhundert aus Nordamerika nach Europa eingeschleppt worden waren, nur mit hohem Einsatz an Fungiziden angebaut werden.

Beschleunigung des Züchtungsprozesses durch Genomsequenzierung

Den Forschern am JKI Geilweilerhof ist nun in Zusammenarbeit mit der Firma SEQ.IT ein entscheidender Schritt zur Züchtung neuer pilzresistenter Rebsorten gelungen. Sie haben eine weltweit erstmalige komplette Sequenzierung des etwa 480 Millionen Basenpaare umfassenden Genoms einer pilzresistenten Rebsorte durchgeführt. Bei dem entschlüsselten Genom handelt es sich um dasjenige der am JKI gezüchteten Rotweinrebsorte 'Regent', die inzwischen mit über 2.000 Hektar Anbaufläche die bedeutendste mehltauresistente Rebsorte im deutschen Weinbau ist. Die Gesamtsequenzierung, die in dreifacher Abdeckung im Hochdurchsatzverfahren mittels Pyrosequenzierungs-Technik erfolgte, erlaubt jetzt, die für 'Regent' charakteristischen Mehltauresistenzen auf molekularer Ebene zu verstehen und die Resistenzmechanismen anhand der Funktion einzelner Gene nachzuvollziehen. "Wenn wir begreifen, wie Resistenzmechanismen funktionieren und mehrere Resistenzen auch kombinieren können, erzielen wir schnellere Erfolge", erklärte Dr. Reinhard Töpfer, Leiter des JKI-Instituts für Rebenzüchtung auf dem Geilweilerhof. Zwar konnte man schon vorher genetische Fingerabdrücke erstellen, die halfen, in Kreuzungsnachkommen resistente Reben auszuwählen. Nun aber, nach der Analyse der vollständigen Genomsequenz, kann man viel zielgerichteter und schneller vorgehen. Die Forscher erwarten, dass sich der langwierige Züchtungsprozess neuer widerstandfähiger und angepasster Rebsorten um bis zu zehn Jahre beschleunigen lässt.

Die SEQ.IT GmbH & Co. KG in Kaiserslautern, welche die Sequenzierung des Regent-Genoms durchgeführt hat, verfügt als hoch spezialisiertes Auftragsforschungsunternehmen, das außer Sequenzierungen auch andere molekularbiologische Fragestellungen wie zum Beispiel Transkriptom- und Metagenom-Analysen bearbeitet, über modernste Technologien. Das Unternehmen ist eine Ausgründung des Instituts für Immunologie und Genetik der Technischen Universität Kaiserslautern. Im September wurde das Institut zusammen mit der SEQ.IT beim bundesweiten Wettbewerb um den Großen Preis des Mittelstandes der Oskar-Patzelt-Stiftung als "Finalist" des Jahres 2009 ausgezeichnet (siehe Link oben rechts).

Ein europäisches Zentrum der Rebenzüchtung

Am Institut für Rebenzüchtung Geilweilerhof hatte man schon 1926 mit der Züchtung neuer Rebsorten mit hoher Resistenz gegenüber Schädlingen, witterungsbedingten Stressfaktoren und gleichzeitig hoher Weinqualität begonnen. Nach Jahrzehnten der Entwicklung gelang der Resistenzzüchtung erstmals mit der Rotweinsorte ’Regent’, die sich durch ihre angenehmen Fruchtnoten und ihren tanninbetonten südländischen Typ auszeichnet, der Durchbruch. Vor Kurzem hat das Institut der Öffentlichkeit vier neue Rebsorten - Felicia’, ’Villaris’, ’Calandro’ und ’Reberger’ - vorgestellt, die Weiterentwicklungen hinsichtlich Resistenz und/oder Qualität darstellen.

Neben der Rebenzüchtung selbst und der Entwicklung neuer Züchtungstechnologien über die Genomanalyse ist das Institut ein Ressourcenzentrum, an dem eine Sammlung von fast 4.000 Rebsorten und -mustern gepflegt wird. Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projektes „GrapeGen06“ hat das JKI die europäische Rebsortendatenbank „EU Vitis Database“ neu programmiert. Die Datenbank umfasst Datensätze von etwa 30.000 Rebsorten bzw. Akzessionen (Mustern), wobei jeder Datensatz aus mehr als 30 Kriterien oder Merkmalen besteht. Die Sammlung und Koordinierung dieser Daten unter einem Dach stellt einen wichtigen Schritt dar, um die Vielfalt der Rebsorten über die Grenzen Deutschlands und Europas hinaus zu erhalten. Als Fachinformationszentrum für Rebe und Wein stellt das Institut seine Datenbanken, darunter auch die internationale Literaturdatenbank „VITIS-VEA“ und den „Vitis International Variety Catalogue“ (VIVC) für Recherchezwecke im Internet zur Verfügung.

Das Julius Kühn-Institut

Das Julius Kühn-Institut (JKI),  Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen, gehört zur Ressortforschung des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV). Es umfasst 15 Institute an sechs Standorten, darunter Siebeldingen in der Pfalz und Dossenheim bei Heidelberg. Quedlinburg in Sachsen-Anhalt ist Hauptsitz des Bundesforschungsinstituts, das aus der zum 1. Januar 2008 wirksam gewordenen Zusammenführung der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft mit der Bundesanstalt für Züchtungsforschung an Kulturpflanzen (BAZ) und Teilen der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) entstanden ist.

Julius Kühn © Wikipedia

Das JKI ist als Ressorteinrichtung für das Schutzziel "Kulturpflanze" in seiner Gesamtheit zuständig. Dazu gehören die Bereiche Pflanzengenetik, Pflanzenbau, Pflanzenernährung und Bodenkunde sowie Pflanzenschutz und Pflanzengesundheit.

Benannt wurde das neue Bundesforschungsinstitut nach Professor Julius Kühn (1825- 1910), einem der herausragenden Botaniker des 19. Jahrhunderts. Mit seinem Buch „Die Krankheiten der Kulturgewächse, ihre Ursachen und ihre Verhütung" (1858) wurde er einer der wichtigsten Begründer der modernen Phytopathologie. Er führte als erster ordentlicher Professor für Landwirtschaft an der Universität Halle/Saale das Universitätsstudium der Agrarwissenschaften ein und errichtete dort 1863 ein selbstständiges Institut, das er in den folgenden vierzig Jahren zur bedeutendsten agrarwissenschaftlichen Lehr- und Forschungsstätte Deutschlands ausbaute.

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Die vier Basen liegen in der DNA-Doppelhelix immer als Paare vor. Aufgrund der chemischen Struktur ist eine Paarbildung nur zwischen A und T (DNA) bzw. A und U (RNA) sowie C und G möglich. A und T (U) sowie C und G werden deshalb auch als komplementär bezeichnet.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Der genetische Fingerabdruck einer Person ist ein charakteristisches Muster, dass sich durch die Anordnung der DNA-Fragmente dieser Person ergibt. Er sagt nichts über die genetischen Eigenschaften der Person aus.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Immunologie ist eine Wissenschaft, die sich u. a. mit den Abwehrreaktionen von Mensch und Tier gegen Organismen wie Bakterien, Pilze und Viren, aber auch mit Abwehrreaktionen gegen fremde Zellen und Gewebe bzw. gegen eigene Zellen und Gewebe (Autoimmunreaktionen) beschäftigt.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • HTS steht für Hochdurchsatzverfahren; mit diesem automatisierten Verfahren kann in kurzer Zeit eine sehr hohe Anzahl von Wirkstoffen auf ihre biologische Wirksamkeit geprüft werden.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Als Metagenom bezeichnet man die Gesamtheit des Erbguts der Mikroorganismen einer bestimmten Lebensgemeinschaft oder eines Lebensraums.
  • Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/genomsequenzierung-pilzresistenter-weinreben/