CultiBeet: Molekulare Analyse der Diversifizierung von Rüben

Domestizierung und Diversifizierung sind die treibenden Kräfte für die Entstehung einer großen Anzahl von verschiedenen Kulturpflanzen und davon abgeleiteten Sorten. Aufgrund von Diversifizierung lassen sich bei der Rübe (Beta vulgaris ssp. vulgaris) vier verschiedene Gruppen von Kultivaren unterscheiden, nämlich Mangold, Futterrübe, Zuckerrübe und Rote Rübe. Im vorliegenden Projekt wird der Frage nachgegangen, ob die Domestizierung der Rübe einmal oder mehrmals erfolgte. Es soll untersucht werden, wie unterschiedlich die Genome der Kultivare im Vergleich zueinander sind. Zum molekularen Verständnis der phänotypischen Unterschiede zwischen den Kultivaren soll versucht werden, Diversifizierungsgene zu ermitteln. Dazu werden mehrere hundert Genome sequenziert, mit Referenzsequenzen verglichen und hinsichtlich ihrer Unterschiede ausgewertet. Im Projekt CultiBeet wird wertvolles Wissen zu Domestizierungsgeschichte der Rübe generiert. Die experimentelle Vorgehensweise sowie die Methoden der Datenauswertung werden sich auf Untersuchungen zur Diversifzierung anderer Kulturpflanzen übertragen lassen. Leitende beteiligte Wissenschaftler/innen: Das Projekt wird gemeinsam von Ass. Prof. Dr. Juliane Dohm und Prof. Dr. Heinz Himmelbauer geleitet.

Rüben (Beta vulgaris) sind wichtige Kulturpflanzen. Es lassen sich heute vier verschiedene Kultivargruppen unterscheiden, nämlich Mangold, Futterrübe, Zuckerrübe und Rote Rübe. Die größte Bedeutung kommt der Zuckerrübe als zweitwichtigster industrieller Zuckerlieferant zu, Rote Rüben und Mangold sind wichtige Gemüsepflanzen. Einzig Futterrübe hat an Bedeutung verloren und ihr Anbau ging in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich zurück. Die Wildart, von der sich alle kultivierten Rüben ableiten, ist die Seerübe (Beta vulgaris ssp. maritima), die an den europäischen Atlantikküsten und im Mittelmeerraum in meeresnahen Habitaten verbreitet vorkommt. Anhand Arbeiten in diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass die Domestizierung der Rübe im östlichen Mittelmeerraum stattgefunden hat und dass die mit kultivierten Rüben am nächsten verwandten Wildrüben aus Griechenland stammen. Einer ersten Domestizierung einer Art folgt im nächsten Schritt eine Diversifizierung. Das bedeutet, dass eine domestizierte Art durch züchterische Arbeit an unterschiedliche Erfordernisse des Menschen angepasst wird. Bei den Rüben lässt sich Diversifizierung sehr schön anhand der oben erwähnten vier Kultivargruppen belegen. In diesem Projekt wurden aus einer öffentlichen Saatgutbank hunderte Sorten von Mangold, Futterrübe und Roter Rübe ausgewählt. In einem nächsten Schritt wurden die Sorten im Glashaus angebaut, Blätter wurden geerntet und DNA wurde extrahiert. Anschließend wurden die Genome sequenziert und zusammen mit vergleichbaren Daten von Zuckerrüben und Wildrüben ausgewertet. Zur Ermittlung von Sequenzunterschieden zwischen Wildrüben und Kultivaren wurden alle Sequenzdaten mit der Referenzsequenz des Zuckerrübengenoms verglichen. Im Ergebnis führte diese zu einem Katalog von Sequenzunterschieden, wobei die Position des Austausches im Genom, sowie die Art des Austausches festgehalten wurde. Diese Daten wurden für die Gruppierung der sequenzierten Pflanzen mittels eines statistischen Verfahrens ("PCA") verwendet. Es zeigte sich, dass sich die Kultivargruppen Futterrübe, Zuckerrübe und Rote Rübe sehr gut untereinander, sowie von ihren wilden Vorfahren, abgrenzen lassen. Zusätzlich wurde festgestellt, dass Mangold sich teilweise schlecht von Wildrüben trennen lässt und eine heterogene Gruppe darstellt. Von besonderem Interesse ist die Ermittlung von Varianten, die typisch für bestimmte Gruppen sind. Zu diesem Zweck wurden Methoden des Maschinellen Lernens eingesetzt und optimiert. Die bekannten Gruppen wurden miteinander verglichen und es wurden, bei Bedarf, Untergruppen gebildet. Auf diese Weise konnten Gene identifiziert werden, die durch den Einfluss gezielter Züchtung verändert worden waren. In der Zuckerrübe wurden beispielsweise Gene identifiziert, die im Zuckertransport eine Rolle spielen. Andere Ergebnisse legen nahe, wie sich moderne von alten Sorten unterscheiden. Zusammengenommen wurde im Projekt wertvolles Wissen zur Domestizierung der Rübe und ihrer nachfolgenden Diversifizierung in unterschiedliche Kultivargruppen generiert. Die experimentelle Vorgehensweise sowie die Methoden der Datenauswertung werden sich auf andere Kulturpflanzen übertragen lassen. Leitende beteiligte Wissenschaftler:innen: Das Projekt wurde gemeinsam von Assoc. Prof. Dr. Juliane Dohm und Prof. Dr. Heinz Himmelbauer geleitet.