Auberginen: Leistungsstarke Pangenome könnten Züchtungspotenzial erschließen
Ein internationales Wissenschaftlerteam hat das bislang vollständigste genetische Bild der Aubergine veröffentlicht und damit ein neues Kapitel in der Forschung und Züchtung eines der weltweit wichtigsten Gemüsesorten aufgeschlagen.
Die Studie, an der Forscher des World Vegetable Center (WorldVeg) beteiligt waren, kartiert die gesamte genetische Vielfalt der Aubergine mithilfe von zwei graphbasierten Pangenomen – fortschrittlichen genetischen Karten, die vollständige Genomsequenzen von vielen verschiedenen Auberginen zusammenführen.
Die Arbeit baue auf SMEL5 auf, dem bestehenden Referenzgenom für kultivierte Auberginen (Solanum melongena), und nutze es als Ausgangspunkt für zwei viel umfassendere Pangenome, die Variationen über Hunderte von Auberginensorten und ihre wilden Verwandten hinweg erfassen. Die Wissenschaftler haben beide Pangenome öffentlich zugänglich gemacht, sodass Forscher weltweit Gene leichter mit wichtigen Merkmalen wie Krankheitsresistenz in Verbindung bringen können – ein Wissen, das die Züchtung produktiverer und widerstandsfähigerer Auberginen unterstützen kann.
Auberginen gehören bereits zu den weltweit am häufigsten angebauten Gemüsesorten mit einer Produktion von fast 60 Mio t pro Jahr – der Großteil davon in Asien, aber mit wachsender Bedeutung in Afrika und einer etablierten Präsenz in Europa. Dennoch hinke diese Kulturpflanze hinsichtlich der Wissenschaftlern zur Verfügung stehenden genetischen Informationen seit langem hinter ihren botanischen Verwandten aus der Familie der Solanaceae – wie Tomaten, Kartoffeln und Paprika – hinterher. Dies erschwere die Identifizierung der für wichtige Merkmale verantwortlichen Gene und behindere die Bemühungen zur Verbesserung der Kulturpflanze.
Um dieses Problem anzugehen, untersuchten die Forscher eine Kernsammlung von 368 Auberginen, die den größten Teil der globalen genetischen Vielfalt der Art repräsentieren. Dazu gehörten 321 kultivierte Sorten und 47 wilde Verwandte – wichtig, weil sie oft nützliche Merkmale tragen, die während der Domestizierung verloren gegangen sind. Die Pflanzen wurden an mehreren Standorten angebaut und auf eine Vielzahl von Merkmalen untersucht, während ihre DNA sequenziert wurde.
Aus dieser Arbeit erstellte das Team 40 hochwertige, vollständige DNA-Karten von kultivierten und wilden Auberginen, die sie zur Erstellung der beiden sich ergänzenden Pangenome verwendeten. Das eine, das sich ausschließlich auf kultivierte Auberginen konzentrierte, sollte Gene mit wichtigen Merkmalen für die Züchtung verknüpfen. Das andere, das auch die nächsten wilden Verwandten der Aubergine umfasst, half den Forschern dabei, zurückzuverfolgen, wo die Aubergine zuerst domestiziert wurde und wie Gene von Wildpflanzen die heutigen Sorten geprägt haben.
Mithilfe dieses Pangenoms entdeckten die Forscher weitaus mehr genetische Variationen als bisher bekannt und gewannen neue Erkenntnisse darüber, wie die Pflanze domestiziert wurde und sich weltweit verbreitete. Die Beweise deuten auf zwei separate Domestizierungszentren hin – Südostasien und den indischen Subkontinent –, gefolgt von einer Ausbreitung in den Nahen Osten, nach Afrika und Europa, wobei der Einfluss wilder Auberginen weiterhin bestehen blieb.
Durch die Verknüpfung des Pangenoms der kultivierten Aubergine mit einer Vielzahl von Feldmessungen – bekannt als Pan-Phänotyp – konnten die Forscher Gene mit realen Merkmalen in Verbindung bringen, die mit Wachstum, Krankheitsresistenz und Fruchtchemie zusammenhängen, wobei sie sich insbesondere auf drei Merkmale konzentrierten:
Stacheligkeit: Die scharfen Stacheln, die an einigen Auberginenblättern und Kelchen (den grünen Kappen an der Spitze der Frucht) auftreten können. Während Stacheln bei wilden Auberginen am häufigsten vorkommen, wo sie dazu beitragen können, Pflanzenfresser abzuschrecken und Wasser zu speichern, variieren sie dennoch zwischen den kultivierten Sorten und können die Ernte erschweren. Durch die Analyse dieser Variation innerhalb der kultivierten Auberginen bestätigte die Studie, dass ein Gen namens LONELYGUY3 (LOG3) als Schlüsselschalter für die Stachelbildung fungiert, und zeigte, dass diese Eigenschaft nicht nur durch kleine DNA-Veränderungen, sondern auch durch größere strukturelle Veränderungen im Genom beeinflusst werden kann – Unterschiede, die ohne einen Pangenom-Ansatz nur schwer zu erkennen sind.
Resistenz gegen Fusarium-Welke: Eine schwerwiegende bodenbürtige Pilzkrankheit der Aubergine, insbesondere in warmen, feuchten Regionen, die zum Welken und Absterben der Pflanzen führt. Die Forscher identifizierten zwei Schlüsselregionen des Genoms, die mit der Resistenz in Verbindung stehen: eine Region, die eine Gruppe von Krankheitsresistenzgenen enthält, die den Pflanzen helfen, den Erreger zu erkennen und darauf zu reagieren, und eine andere Region, die teilweise kompensieren kann, wenn diese Abwehr geschwächt ist. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass die Resistenz durch mehr als einen genetischen Mechanismus gesteuert wird, was den Züchtern mehrere Wege zur Entwicklung robusterer, widerstandsfähigerer Auberginensorten eröffnet.
Chlorogensäuren: Antioxidantien, die reichlich in Auberginenfrüchten vorkommen und sowohl mit ernährungsphysiologischen Vorteilen als auch mit Bitterkeit und Bräunung beim Aufschneiden des Fruchtfleisches in Verbindung stehen. Die Studie ergab, dass der Chlorogensäuregehalt zwar von vielen kleinen genetischen und umweltbedingten Einflüssen beeinflusst wird, eine verwandte Gruppe von Verbindungen jedoch weitgehend von einem einzigen Gen gesteuert wird. Viele kultivierte Auberginensorten tragen eine nicht funktionsfähige Version dieses Gens, was die Produktion der Antioxidantien einschränkt, während wilde Verwandte in der Regel eine funktionsfähige Form beibehalten – was darauf hindeutet, dass einige nützliche Verbindungen während der Domestizierung reduziert wurden oder verloren gingen.
