Effizientere Genomanalyse: Neue Methode zur Sequenzierung von Pflanzen-Gametenzellen entwickelt
21.02.2025
Ein internationales Forschungsteam aus China und Deutschland, darunter Forschende des Forschungszentrums Jülich aus dem Institut für Bioinformatik, hat ein neues Protokoll einer Methode zur Analyse von Pflanzengenomen beschrieben, die auf der Sequenzierung der DNA von Samenzellen (Gameten) basiert. Durch diese Sequenzierung, also die Entschlüsselung der DNA, können genetische Unterschiede und Strukturen in den Chromosomen einer Pflanze präzise erfasst und einem Elternteil zugeordnet werden. Dies stellt einen bedeutenden Schritt bei der Charakterisierung von Pflanzenarten sowie im Hinblick auf ihre Evolutionsgeschichte dar und kann zur Entwicklung robusterer und anpassungsfähigerer Nutzpflanzen beitragen. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit wurden im Fachjournal „Nature Protocols“ veröffentlicht.
Die Methode heißt Haplotyp-Trennung. Haplotypen sind Gruppen von Allelen (unterschiedliche Varianten eines Gens), die zusammen von einem Elternteil vererbt werdenund als zentrale Einheiten genetischer Information dienen. Durch die detaillierte Analyse dieser Gene, konnte bereits ein tieferes Verständnis dafür gewonnen werden, wie sich Pflanzenarten entwickeln und wie genetische Eigenschaften wie Krankheitsresistenz oder Ertragssteigerung bei Nutzpflanzen wie Tomaten, Kartoffeln oder Tee entstehen. Die neue Methode kann dazu beitragen, ein vollständigeres und differenziertes Bild der genetischen Vielfalt zu erlangen, das zur Entwicklung robusterer und anpassungsfähigerer Nutzpflanzen beitragen kann.
Herkömmliche Genomsequenzierungen konstruieren oft ein so genanntes Konsensus-Genom, das einzigartige genetische Variationen übersehen kann, insbesondere bei Arten mit komplexen genetischen Strukturen wie Pflanzen. Um dies zu vermeiden, hat sich das Forschungsteam der Sequenzierung von Gameten – also haploiden Zellen wie Spermien und Eizellen – zugewandt. Diese Zellen besitzen nur einen einfachen Chromosomensatz, wodurch die aufwendige Zuordnung der Erbinformation zu einem bestimmten Elternteil entfällt – was den Prozess der Haplotyp-Trennung deutlich vereinfacht. So können die Forschenden sogenannten Crossover-Ereignisse, also den Austausch von Erbgut zwischen Chromosomen während der Zellteilung, erkennen und die genetische Vielfalt genauer erfassen. Wichtige Vorteile im Überblick:
- Haplotyp-Trennung: Die Methode ermöglicht es, das Erbgut auf Chromosomenebene mit isolierten pflanzlichen Gameten präzise zu charakterisieren und genetische Variationen genau zu lokalisieren.
- Anpassungsfähigkeit: Die Methode ist nicht nur auf pflanzliche Gametenzellen beschränkt, sondern kann auf andere Spezies, einschließlich Säugetieren, übertragen werden, was sie für eine breite Anwendung in der Genomforschung attraktiv macht.
- Effizienz: Der gesamte Prozess, von der Gametenzellisolierung bis zur Datenanalyse, kann innerhalb eines Tages abgeschlossen werden.
Das Institut für Bioinformatik war primär an der Entwicklung des bioinformatischen Workflows beteiligt und stellt die Software in Form eines Containers (Docker-Image) bereit, den Wissenschaftler:innen weltweit nutzen können, um die Methode in ihren eigenen Projekten einzusetzen. Ein Docker-Image ist eine vorgefertigte, portable und unveränderbare Vorlage, die alle nötigen Dateien, Abhängigkeiten und Konfigurationen enthält, um eine Anwendung in einer isolierten Umgebung (Container) auszuführen. Dies ermöglicht eine konsistente Ausführung und Analyse der Daten auf jedem Computer-System. Damit leistet diese Innovation nicht nur einen Beitrag zur Grundlagenforschung, sondern fördert auch die globale Zusammenarbeit in der Genomforschung.
Originalveröffentlichung
Zhang, W., Tariq, A., Jia, X., Yan, J., Fernie, A. R., Usadel, B., & Wen, W. (2024). Plant sperm cell sequencing for genome phasing and determination of meiotic crossover points. Nature protocols, DOI: 10.1038/s41596-024-01063-2.
Weitere relevante Publikationen
Zhang W., Zhang Y., Qiu H., Guo Y., Wan H., Zhang X., Scossa F., Alseekh S., Zhang Q., Wang P., Xu L., Schmidt M. H., Jia X., Li D., Zhu A., Guo F., Chen W., Ni D., Usadel B., Fernie A. R., Wen W. (2020) Genome assembly of wild tea tree DASZ reveals pedigree and selection history of tea varieties. Nature Communications, 11(1):3719. DOI: 10.1038/s41467-020-17498-6.
Tariq, A., Meng, M., Jiang, X., Bolger, A., Beier, S., Buchmann, J. P., Fernie, A. R., Wen, W., Usadel, B. (2024). In‐depth exploration of the genomic diversity in tea varieties based on a newly constructed pangenome of Camellia sinensis. The Plant Journal. DOI: 10.1111/tpj.16874
Qiu, H., Zhang, X., Zhang, Y., Jiang, X., Ren, Y., Gao, D., Zhu, X., Usadel, B., Fernie, A. R., Wen, W. (2024). Depicting the genetic and metabolic panorama of chemical diversity in the tea plant. Plant Biotechnology Journal, 22(4), 1001-1016. DOI: 10.1111/pbi.14241
Ansprechperson
- Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG)
- Bioinformatik (IBG-4)
Raum 2002
