Fortschritte bei der Genomsequenzierung von Roggen fördern die Züchtung von Roggen und Weizen
Ein internationales Forscherteam unter Leitung des IPK Leibniz-Instituts hat eine verbesserte Referenzgenomsequenz von Roggen veröffentlicht, die bedeutende Fortschritte für die Pflanzenforschung und Züchtung ermöglicht. Die neue Sequenz umfasst erstmals die vollständigen Zentromere aller sieben Chromosomenpaare, welche eine zentrale Rolle bei der korrekten Verteilung der Erbinformation während der Zellteilung spielen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications publiziert.
Historische und genetische Einordnung des Roggens
Roggen teilt eine enge evolutionäre Verwandtschaft mit Gerste und Weizen, wurde jedoch erst später als Kulturpflanze etabliert. Während Gerste und Weizen bereits vor etwa 10.000 Jahren im Fruchtbaren Halbmond domestiziert wurden, verbreitete sich Roggen zunächst als Unkraut. Erst vor rund 5.000 bis 6.000 Jahren entwickelte sich Roggen zu einer eigenständigen Kulturpflanze und wurde im Mittelalter in Nordeuropa zum wichtigsten Brotgetreide.
Herausforderungen bei der Genomassemblierung
Das Roggengenom zeichnet sich durch seine enorme Größe und Komplexität aus: Es ist deutlich größer als das menschliche Genom und besteht zu nahezu 90 % aus repetitiven DNA-Sequenzen. Frühere Referenzgenome, darunter eine 2021 am IPK erstellte Version, lieferten zwar wichtige Grundlagen, wiesen jedoch Lücken, falsch angeordnete Abschnitte und unvollständig dargestellte Zentromere auf. Diese Defizite erschwerten die präzise Analyse und Nutzung des Genoms.
Methodik und Ergebnisse der neuen Sequenzierung
- Verwendung modernster Sequenziertechnologien, die am IPK mit Unterstützung von Bund und Land zur Verfügung stehen.
- Sequenzierung langer DNA-Moleküle der Roggenlinie Lo7, einem etablierten Referenzgenotyp.
- Zusammenfügen der DNA-Fragmente in korrekter Reihenfolge auf den sieben Chromosomen.
- Validierung der Genomassemblierung durch verschiedene unabhängige Methoden, die eine hohe Qualität bestätigen.
Die neue Referenzsequenz korrigiert frühere Fehler, schließt Lücken und ermöglicht erstmals eine detaillierte Betrachtung der Zentromere. Diese Bereiche waren zuvor schwer zugänglich, da sie zahlreiche direkte Wiederholungen enthalten, die in früheren Versionen kollabiert dargestellt wurden.
Bedeutung der Zentromer-Analyse
Die Untersuchung der Zentromere zeigte, dass bestimmte bewegliche DNA-Elemente, sogenannte Transposons, in Roggen-Zentromeren noch vor kurzer Zeit aktiv waren. Dies weist auf eine dynamische Entwicklung der Zentromere zwischen verwandten Getreidearten hin, was zu genetischer Vielfalt und funktionellen Unterschieden führen kann.
Relevanz für die Züchtung von Roggen und Weizen
Besonders interessant sind die Erkenntnisse zum kurzen Arm des Roggenchromosoms 1R (1RS), der bereits in verschiedene Weizensorten eingekreuzt wurde. Dieser Abschnitt verbessert wichtige Eigenschaften wie Krankheitsresistenz, Stresstoleranz und Ertrag. Die Studie zeigt, dass die in Weizen verwendeten 1RS-Abschnitte genetisch sehr ähnlich sind, während in Roggen eine deutlich größere Variabilität vorliegt. Dies deutet auf ein bisher ungenutztes genetisches Potenzial innerhalb der Roggenvielfalt hin.
Prof. Dr. Nils Stein, Leiter der Abteilung Genbank am IPK, betont, dass die neue Genomsequenz den Weg für weitere Forschungen ebnet. Im Rahmen des Projekts „RyeHub“, gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), werden derzeit zahlreiche Roggengenome sequenziert, um ein umfassendes Pangenom zu erstellen. Dieses Pangenom bildet die Grundlage für die systematische Erschließung der genomischen Diversität und deren Nutzung in Forschung und Züchtung.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Dr. Nils Stein
Telefon: +49 39482 5522
E-Mail: stein@ipk-gatersleben.de
Originalpublikation
Erwang et al. (2026): Unveiling centromeric retrotransposon dynamics through a high-quality rye genome assembly. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-76753-4
