Tübingen, Germany
June 14, 2016
The unimposing, but extremely adaptable plant Arabidopsis thaliana has proportionally more genetic variants than humans. This is one of the results revealed by the international “1001 Genome Project” that started in 2008. The study also revealed the continued presence of a small group of individuals that have survived in relative isolation since the last ice age, making the plant equivalent of Neanderthals. The study not only serves as a foundation for linking genes and adaptation to the environment, but also provides a roadmap for similar efforts in crops.
The plant Arabidopsis thaliana (thale cress) is one of the favorite research subjects for plant science. Much of today’s knowledge about the inner workings of plants comes from studies in this unimposing, but globally distributed weed. The international “1001 Genome Project”, led by Detlef Weigel from the Max Planck Institute for Developmental Biology in Tübingen, Germany and Magnus Nordborg from the Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology in Vienna, Austria, has recently concluded a major milestone: complete genome sequences from 1,135 individuals collected all over the world. The study was published on June 9 in the science journal Cell.
Like humans or animals, plants from different places differ genetically. Different from humans or animals, plants cannot pack up and migrate to other regions if their environment changes. Thus, plants are expected to have much stronger environmental footprints in their genomes than humans and animals. By sequencing the genomes of a large number of specimens from diverse places, the scientists could document a much denser set of genetic differences than one finds in a similar size sets of human genomes.
The new results have already revealed previously unappreciated aspects of the evolutionary history of this important model plant. Based on the genetic differences, the 1001 Genomes research team identified six different groups of modern Arabidopsis plants. The vast majority belongs to a single group that has evolved after the last ice age and then spread fast around the world – just as the modern human. Indeed, the dissemination of this group is highly associated with the dispersion of agriculture. “The other five groups are like Neanderthals amongst the plants”, says Weigel, “they evolved before the last ice age and have survived as isolated, genetically differentiated populations on the Canary and Cape Verde islands, on Sicily, in North Africa and throughout the Iberian Peninsula.” Different from the large modern group, which is often found near agricultural fields or in urban settings, these relicts are restricted to more natural, undisturbed habitats, explaining their much more limited modern distribution. By comparing genomes of relicts and non-relicts, and matching them with climate data, scientists can now discover genes that could help breeders to better equip crops for the environmental stresses that will come with future climate change.
More information on the „1001 Genomes Project“ and access to all data on 
www.1001genomes.org.
Original Publication:
The 1001 Genomes Consortium, 1,135 Genomes Reveal the Global Pattern of Polymorphism in Arabidopsis thaliana, Cell (2016), dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.063
​Der Neandertaler unter den Pflanzen - Internationales Forschungsteam veröffentlicht Genomdaten von über tausend Pflanzen
Die unscheinbare, aber extrem anpassungsfähige Pflanze Arabidopsis thaliana hat im Verhältnis mehr genetische Varianten als der Mensch. Das ist eines der Ergebnisse des seit 2008 laufenden internationalen “1001 Genome“-Forschungsprojekts, bei dem die Wissenschaftler auch Pflanzen entdeckten, die die letzte Eiszeit überdauert haben. Die Erkenntnisse dieser Studie liefern Grundlagen für die Zukunft der Pflanzenforschung: Darauf aufbauend kann nun noch besser erforscht werden, welche Gene für die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an die Umwelt verantwortlich sind.
Das Unkraut Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) ist ein beliebtes Forschungsobjekt in der Pflanzenbiologie. Vieles, was wir über Pflanzenbiologie wissen stammt aus Studien über diese unscheinbare kleine Pflanze, die in vielen Regionen weltweit wächst. In der internationalen Studie “1001 Genome“ unter der Leitung von Prof. Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und Dr. Magnus Nordborg vom Wiener Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie wurden Genomsequenzen von 1.135 Arabidopsis-Exemplaren veröffentlicht. Die Pflanzen stammen aus verschiedenen Gebieten der nördlichen Hemisphäre.
Pflanzen, die von unterschiedlichen Orten stammen, unterscheiden sich auch genetisch. Menschen und Tiere können in andere Regionen abwandern, wenn sich die Umweltbedingungen ändern, Pflanzen aber sind an ihren Standort gebunden. Dennoch haben sie Möglichkeiten gefunden, ihr Überleben zu sichern: Die genetischen Unterschiede haben den Pflanzen vermutlich geholfen, sich an die Umgebung anzupassen, in der sie gefunden wurden. Dadurch, dass im Rahmen des Großprojekts so viele Exemplare dieser Pflanze sequenziert wurden, konnten die Wissenschaftler eine unerwartet große Anzahl von genetischen Unterschieden aufdecken – im Verhältnis sogar mehr als bisher bei Menschen gefunden wurden.
Zukünftige Studien können auf diesen Ergebnissen aufbauen um zu bestimmen, welche Gene zum Beispiel dafür verantwortlich sind wann eine Pflanze blüht, wie tief ihre Wurzeln wachsen, ob sie gegen Krankheitserreger widerstandsfähig ist oder wie sie sich an eine bestimmte Umgebung angepasst hat. Diese Arbeit liefert daher die Grundlage für die Zukunft der Genforschung bei Pflanzen.
Darüber hinaus tragen die Ergebnisse dazu bei, die Evolutionsgeschichte dieser wichtigen Modellpflanze zu klären. Durch den Vergleich der sequenzierten Exemplare untereinander konnten die Wissenschaftler sechs genetisch unterschiedliche Gruppen moderner Arabidopsis-Pflanzen identifizieren. Die große Mehrheit der Exemplare zählt zu einer Gruppe, die nach der letzten Eiszeit entstanden ist und sich dann rasch auf der Welt verbreitet hat – so wie der moderne Mensch. Tatsächlich ist die Verbreitung dieser Gruppe eng mit der Verbreitung der Menschheit und des Ackerbaus über den Globus verknüpft. „Die anderen fünf Gruppen sind quasi die Neandertaler unter den Pflanzen“, erklärt Weigel, „sie sind schon vor der letzten Eiszeit entstanden und haben als genetisch unterschiedliche Populationen auf den Kanarischen und Kapverdischen Inseln, auf Sizilien, im Libanon und als große, verstreute Gruppe auf der Iberischen Halbinsel überlebt.“ Die Entdeckung dieser Relikt-Populationen wird für zukünftige Studien äußerst nützlich sein, da sie sich von der Hauptgruppe genetisch extrem unterscheiden.
Mehr Informationen zu dem seit 2008 laufenden Projekt „1001 Genome“ und Zugang zu allen Daten gibt es unter www.1001genomes.org.
Originalpublikation:The 1001 Genomes Consortium, 1,135 Genomes Reveal the Global Pattern of Polymorphism in Arabidopsis thaliana, Cell (2016), dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.063
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