Zurich, Switzerland
August 17, 2018
Scientists at the University of Zurich, together with international research partners, have been able to sequence the complete genome of common wheat for the first time. The information will enable more effective measures to be taken to combat pests and climate stress in wheat.
The wheat genome is divided into 21 chromosomes and has a triple set of chromosomes – in total almost 100,000 genes. (iStock.com/Schad1953)
Wheat is the one of the most widely cultivated crops in the world and the most common type of grain grown in Switzerland, where more than 70,000 hectares are planted every year. Now the genome of this plant has been sequenced in full for the first time. This is the result of a 13-year international collaboration by the International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWSCG). The University of Zurich is a key member of the consortium, which comprises 73 research institutions from 20 countries.
Five times bigger than the human genome
The genome of wheat consists of over 15 billion base pairs, making it around five times larger than the human genome. The wheat genome is divided into 21 chromosomes and has a triple set of chromosomes – in total almost 100,000 genes. The genome was decoded by sequencing the order of the base pairs in the chromosomes. “The sequencing of the wheat genome is a scientific and technological milestone. Never before has such a large genome been sequenced with such high quality,” says Prof. Beat Keller of the Department of Plant and Microbial Biology of the University of Zurich and coordinator of the project within the consortium.
A particular difficulty for the sequencing was the extremely high number of transposable elements, or transposons. These short sections of DNA are present with thousands of copies. Transposons are insignificant for the survival of wheat, but made it very difficult until now to correctly compose the sequence of the complete genome. “Thanks to great advances in sequencing technology and above all in bioinformatics, it has now become possible to compose practically complete chromosome sequences of wheat,” explains Thomas Wicker, head of a research group in bioinformatics and responsible for analyzing the transposons.
Identifying genes for pest resistance
The sequencing of the full wheat genome makes it possible for genes that could be helpful for agricultural uses to be more easily and quickly identified and isolated, for example the genes responsible for pest resistance. These genes could then be introduced into commercial strains of wheat by cross-breeding or through genetic modification with the aim of reducing the use of pesticides in farming.
“The complete sequence of the wheat genome will not just simplify research efforts, but will also make wheat cultivation more efficient,” explains Thomas Wicker. That’s why Agroscope, the national center of competence for agricultural research, is collaborating with the University of Zurich. The genome sequence that is now available will enable genes to be determined much more quickly thanks to more precise measurements. This in turn could lead to the development of wheat that has better disease resistance or improved baking quality, for example. The new findings will also enable strains to be adapted to changing environmental conditions more quickly.
Continued participation in international research
For the scientists from Zurich, the sequencing of the wheat genome is just the first step. They have already begun working on another international project with the aim of sequencing 10 wheat genomes from different parts of the world.
Literature:
International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC). Shifting the limits in wheat research and breeding through a fully annotated and anchored reference genome Sequence. Science, 16. August 2018. DOI: 10.1126/science.aar7191
Weizen hat ein fünfmal umfangreicheres Erbgut als der Mensch
Wissenschaftler der Universität Zürich konnten erstmals zusammen mit internationalen For-schungspartnern das gesamte Erbgut des Brotweizens entschlüsseln. Mit diesem Wissen kann nun effizienter gegen Schädlinge und Klimastress beim Weizen vorgegangen werden.
Das Weizen-Genom ist in 21 Chromosomen unterteilt und besitzt einen dreifachen Chromosomensatz – insgesamt sind dies fast 100’000 Gene. (Bild: iStock.com/Schad1953)
Weizen ist eines der wichtigsten Getreide der Welt und die wichtigste Getreideart der Schweiz. Mehr als 70'0000 Hektaren werden in der Schweiz jedes Jahr mit Weizen bepflanzt. Nun wurde das Erbgut dieser Pflanze erstmals vollständig entschlüsselt. Dies ist das Resultat einer 13-jährigen, internationalen Zusammenarbeit im «International Wheat Genome Sequencing Consortium» (IWSCG). An dem Konsortium von 73 Forschungsinstituten aus 20 Ländern ist auch die Universität Zürich massgeblich beteiligt.
Fünfmal grösser als das menschliche Erbgut
Das Erbgut des Weizens besteht aus über 15 Milliarden Basenpaaren und ist somit etwa fünfmal umfangreicher als das menschliche Erbgut. Das Weizen-Genom ist in 21 Chromosomen unterteilt und besitzt einen dreifachen Chromosomensatz - insgesamt sind dies fast 100'000 Gene. Das Erbgut wird entschlüsselt, indem die Abfolge der Basenpaare in den Chromosomen sequenziert wird. «Die Entschlüsselung des Weizengenoms ist ein wissenschaftlicher und technologischer Meilenstein. Noch nie zuvor ist ein solch grosses Genom in so hoher Qualität sequenziert worden», sagt Prof. Beat Keller vom Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich und Koordinator innerhalb des Konsortiums.
Eine besondere Schwierigkeit bei der Entschlüsselung war der extrem hohe Anteil sogenannter Transposons. Diese kurzen Abschnitte im Erbgut liegen in tausenden Kopien vor. Transposons haben kaum Funktionen, die für das Überleben von Weizen wichtig wären, machten es aber bislang extrem schwierig, die Sequenzen des gesamten Erbguts richtig zusammenzusetzen. «Dank grosser Fortschritte in der Sequenziertechnologie und vor allem in der Bioinformatik konnten nun praktisch vollständige Chromosomen-Sequenzen von Weizen zusammengesetzt werden», erklärt Thomas Wicker, Leiter einer Forschungsgruppe in Bioinformatik und verantwortlich für die Analyse der Transposons.
Gene gegen Schädlingsresistenz identifizieren
Die Kenntnis des kompletten Erbguts des Weizens ermöglicht es, für die Landwirtschaft wichtige Gene einfacher und schneller zu identifizieren und zu isolieren. So zum Beispiel jene, die für Schädlingsresistenzen verantwortlich sind. Diese Gene können dann präzise in kommerzielle Weizensorten eingekreuzt oder auch mit gentechnologischen Methoden eingefügt werden mit dem Ziel, den Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft zu reduzieren.
«Die vollständige Entschlüsselung des Weizengenoms wird nicht nur die Forschung vereinfachen, sondern auch die Weizenzüchtung effizienter machen», erklärt Thomas Wicker. So setze man auch bei «Agroscope», dem Kompetenzzentrum der Bundes für landwirtschaftliche Forschung, auf die Zusammenarbeit mit der Universität Zürich. Die jetzt verfügbaren Genomsequenzen erlau-ben dank präziser Messungen eine viel schnellere Bestimmung der Gene. So kann beim gezüch-teten Weizen eine bessere Krankheitsresistenz oder Backqualität erreicht werden. Auch erlauben die neuen Erkenntnisse, die Sorten schneller an die sich ändernden Umweltbedingungen anzupassen.
Weitere Mitarbeit an der internationalen Forschung
Für die Forscher aus Zürich ist die Entschlüsselung des Weizengenoms nur ein erster Schritt. Sie sind bereits in einem weiteren internationalen Projekt aktiv mit dem Ziel, zehn Weizengenome aus verschiedenen Weltregionen zu sequenzieren.
Literatur:
International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC). Shifting the limits in wheat research and breeding through a fully annotated and anchored reference genome Sequence. Science, 16. August 2018. DOI: 10.1126/science.aar7191
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