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BeerSci: Die Geheimnisse der Gerste aufdecken

2021

Im vergangenen Monat kündigten Wissenschaftler einen großen Durchbruch in der Gerstenforschung an: Sie hatten endlich das gesamte Gerstengenom sequenziert. Einige Medien berichteten, dass dies zu einem besseren Bier führen würde (Gerste sei eine der Hauptzutaten von Beer). Sicher, auf einer gewissen Ebene wird das Verständnis des Gerstengenoms zu besseren - oder mehr - oder billigeren - Bieren führen, insbesondere wenn der Klimawandel so verläuft, wie es die Wissenschaftler vermuten, und der Anbau von Pflanzen aufgrund minderwertiger Umweltbedingungen schwieriger wird . In diesen Medienberichten fehlt jedoch der springende Punkt: Diese Art der Übertreibung von Bier ist ein bisschen so, als würde man einige NASA-Ergebnisse aus dem Solar Dynamics Observatory entnehmen und sagen, dass die Daten Ihnen dabei helfen, eine bessere Bräune zu erreichen. Die Implikationen der Forschung sind viel komplexer.

Einige Hintergrundinformationen: Gerste ist ein Mitglied des Stammes Triticeae zusammen mit anderen domestizierten Körnern wie Weizen und Roggen. Diese Kulturen gehören zu den frühesten domestizierten landwirtschaftlichen Getreideprodukten - archäologische Beweise weisen darauf hin, dass der Mensch vor etwa 10.000 Jahren Gerste domestiziert hat.

Was das International Barley Genome Sequencing Consortium letzten Monat in der Zeitschrift Nature veröffentlichte, war ein Entwurf - eine teilweise vollständige Karte aller Gene - des Gerstengenoms. Es war eine bemerkenswerte Leistung, und es dauerte Jahre, um die technischen Hürden zu überwinden: Bei 5, 1 Gigabasen ist das Gerstengenom 1, 3-mal größer als das menschliche Genom, und ein Großteil des Gerstengenoms besteht aus sich wiederholenden Sequenzen, was es schwierig macht Finden Sie heraus, wohin all diese redundanten Sequenzen führen.

Ziel der Arbeit ist es, die Gerste letztendlich so zu verbessern, dass sie widerstandsfähiger gegen Krankheiten und widrige Umstände ist als derzeitige Sorten (bestimmte Gerstensorten, die speziell dafür entwickelt wurden, dass sie eine wünschenswerte Eigenschaft aufweisen), den Ballaststoffgehalt der Pflanze zu erhöhen und Ja, wahrscheinlich die Kerne optimieren, damit sie effizienter oder besser für die Bierherstellung sind.

Aber bis dahin ist es noch ein langer Weg. Ich habe mit Nils Stein, einem Forscher am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Pflanzenforschung in Deutschland und einem der Hauptforscher des Gerstengenomprojekts, über das Papier gesprochen. Stein betonte, dass das, was sie veröffentlichten, nur der allererste Entwurf des Genoms sei. Sie haben die physische Karte - die Position aller einzelnen Buchstaben - aber sie haben nicht die Position aller Gene auf dieser Karte. Im Grunde ist das wie zu wissen, wo sich alle Buchstaben in einem Roman befinden, aber nicht genau zu wissen, wie sich all diese Buchstaben in Wörter aufteilen. Die Mitglieder des Konsortiums haben einige Daten: Sie konnten die Positionen von 24.154 Genen auf die physische Karte abbilden, etwa zwei Drittel der Gene (30.400), von denen vermutet wird, dass sie insgesamt Gerste enthalten.

Darüber hinaus verglichen sie die Genome verschiedener Gerstensorten. Das mit Morex sequenzierte Hauptgenom ist eine sechsreihige Gerste. Ich fragte Stein, warum sie Morex als die beste "Grundlinie betrachteten, während alle anderen von ihnen untersuchten Sorten zweireihige Gerste waren. Er erklärte, dass die USDA in der Vergangenheit bedeutende Forschungen an der Morex-Sorte durchgeführt habe - es ist diejenige, um die es geht wir wissen am meisten und haben damit eine gute grundlage für die weitere forschung gelegt.

Warum sollte es angehende Homebrewer interessieren? Weil sich zwei- und sechsreihige Gerste in der Maische leicht unterschiedlich verhalten, was tiefgreifende Auswirkungen auf die Braueffizienz und die Eigenschaften des fertigen Bieres haben kann (ein komplexes Phänomen, auf das ich in einer zukünftigen Kolumne eingehen werde). Ich nahm an, dass jeder, der verwegen genug war, um über genetische Unterschiede von Sorten Bescheid zu wissen, neugierig sein würde, welche Gerstensorte in der Einzel-Nukleotid-Variations-Studie verwendet wurde.

Beim Vergleich der sechs- und zweireihigen Gerstensorten stellten die Konsortialwissenschaftler fest, dass die Chromosomenregionen in der Nähe der Zentromere 1.) viele funktionelle Gene aufweisen und 2.) innerhalb von und keine großen Unterschiede aufweisen bis zu einem gewissen Grad zwischen den Sorten. Das Ergebnis ist, dass nur die Enden der Chromosomen rekombinieren - und häufig DNA-Stücke tauschen. Dies ist eine Hürde für zukünftige Gerstenforscher: Sie können keine bessere, krankheitsresistentere Gerste züchten, wenn die Gene, die Sie während der Züchtung zwischen den Sorten übertragen müssen, nicht miteinander rekombinieren. Stein hat klargestellt, dass man Genmodifikationstechniken einsetzen kann, um auf schwer zugängliche Gene in der Nähe von Centromeren abzuzielen, und er hat auch schnell erklärt, dass sich nicht alle Gerstengene in diesen Bereichen befinden - es gibt viele Merkmale, die traditionelle Züchter können sich anlegen mit.

In Zukunft möchte Stein die Position von Genen auf der physischen Karte und dem Transkriptom - Genprodukten wie Protein oder regulatorischer RNA - von Gerste besser verstehen, um besser zu verstehen, wie die Genexpression gesteuert wird. Dies würde wiederum Hinweise darauf geben, wie Pflanzenzüchter die Genexpression selbst steuern können.

Stein sagt auch, dass Gerste ein hervorragendes Modellgenom für das Verständnis verwandter Kulturpflanzen sein wird, deren Genome noch komplexer sind: Weizen beispielsweise ist hexaploide (es hat sechs Kopien von jedem Chromosom; Gerste hat zwei) und sein Genom ist massiv 17 Gigabases groß. Weizen ist wie Gerste eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel der Welt, und die Ernte wird angesichts des Klimawandels denselben Umweltbelastungen ausgesetzt sein - Dürren, Krankheiten, Schädlinge, Brackwasser, minderwertige Böden - wie Gerste.

Sie können also sehen, dass es eine gewaltige Aufgabe ist, die unzähligen Komplexitäten des Genoms eines Organismus und die zeitliche, räumliche und strukturelle Organisation des Genoms herauszufiltern - aber eine wichtige Aufgabe, die nicht in einer 200-Wörter-Nachricht zusammengefasst werden kann.

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