Gatersleben, Germany
August 16, 2018
Today the complete wheat genome (Triticum aestivum) has been published in “Science”. This sequence is the “anchor genome” for capturing the complete genetic diversity of wheat, which is a global food crop. A second publication in the same magazine describes the first opportunities this will create for scientists and practitioners.
Knowledge of the function of the genes, if possible all genes, in an organism is crucial. The expression of genes at various points in time, in various organs and under different environmental influences is a starting point for acquiring this knowledge. The transcription atlas now published for the wheat genome shows the direction in which research is developing.
Under the leadership of the John Innes Centre in Norwich (England), scientists from seven countries and 17 research institutes took part in the study. The German researchers were from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben and the Helmholtz Centre in Munich. For their study, the scientists analysed over 800 hundred expression data sets from 28 studies. They combined these with the fully annotated genome sequence to create a transcription atlas. The challenge here was not only the size but also the particular structure of the wheat genome. The wheat genome is polyploid, and is composed of three individual genomes with different antecedents.
In their study, the scientists give a very comprehensive insight into the spatiotemporal transcription landscape of polyploid wheat. “For the first time we are in a position to assign the proportions in the expression of characteristics to individual sub-genomes and to analyse the gene expression with the help of regulatory networks,” says Prof. Dr. Andrea Bräutigam (University of Bielefeld since October 2017), who participated in the project at the Leibniz Institute for Plant Genetics and Crop Plant Research. “Striking is, that major differences in gene expression exist particularly at the ends of the chromosomes, coding for agronomically important traits.”, continues Bräutigam. The pre-condition for the study was the exact annotation of sequences. This took place at the Helmholtz Centre in Munich. “Annotation of the genes, and the creation of family trees is the basis for clarifying structure and function. We were able to identify the gene loci precisely with specially developed algorithms,” according to Dr. Daniel Lang of the Helmholtz Centre in Munich.
Prof. Dr. Cristobal Uauy, Principal Investigator of the study at the John Innes Centre, says: “Our understanding of genomes has led to a dramatic progress in breeding and cultivation practices for other crops such as maize or rice. With the complete wheat genome available now, and follow-up work, it will be possible to identify genes in wheat more precisely and faster. This knowledge will help researchers and growers to use the allelic variations of polyploid wheat to improve targeted characteristics.”
Original publication:
R. H. Ramírez-González et al. (2018): The transcriptional landscape of polyploid wheat (http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aar6089). Science, DOI: 10.1126/science.aar6089
Erster Transkript-Atlas sämtlicher Weizengene erweitert die Perspektiven für Forschung und Züchtung
Das vollständige Genom des Weizens (Triticum aestivum) wurde heute in ‚Science‘ veröffentlicht. Diese Sequenz ist das „Ankergenom“ für die Erfassung der vollständigen genetischen Vielfalt der Weltnahrungspflanze Weizen. Eine zweite Publikation im gleichen Magazin beschreibt erste Möglichkeiten, die sich daraus für Wissenschaftler und Praktiker ergeben.
Entscheidend ist das Wissen über die Funktion der Gene, möglichst aller Gene eines Organismus. Die Expression von Genen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, in unterschiedlichen Organen und unter verschiedenen Umwelteinflüssen ist ein Ansatzpunkt, an dieses Wissen zu gelangen. Der jetzt veröffentlichte Transkriptom-Atlas für das Weizengenom zeigt, in welche Richtung sich die Forschung entwickelt.
Unter Führung des John Innes Center in Norwich (England) waren Wissenschaftler aus sieben Ländern und 17 Forschungseinrichtungen an der Studie beteiligt. Aus Deutschland waren es Forschende des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und des Helmholtz Zentrums in München. Für ihre Studie analysierten die Wissenschaftler über achthundert Expressionsdatensätze aus 28 Studien. Diese kombinierten sie mit der vollständig annotierten Genomsequenz zu einem Transkript-Atlas. Dabei war nicht nur die Größe, sondern auch die besondere Struktur des Weizengenoms eine Herausforderung. Das Weizengenom ist polyploid und setzt sich aus drei Einzelgenomen unterschiedlicher Vorfahren zusammen.
Mit ihrer Studie geben die Wissenschaftler einen bereits sehr umfassenden Einblick in die raumzeitliche Transkriptionslandschaft des polyploiden Weizens. „Erstmals sind wir in der Lage, die Anteile bei der Ausprägung von Merkmalen einzelnen Subgenomen zuzuordnen und die Gen-Expression mit Hilfe von regulatorischen Netzwerken zu analysieren“, sagt Prof. Dr. Andrea Bräutigam (seit Oktober 2017 Universität Bielefeld), die am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung am Projekt beteiligt war. „Auffallend ist, dass für agronomisch wichtige Eigenschaften große Expressionsunterschiede vor allem an den Endbereichen der Chromosomen bestehen“, so Bräutigam weiter. Voraussetzung für die Studie war die exakte Annotation der Sequenzen. Diese erfolgte am Helmholtz Zentrum in München. „Die Annotation der Gene und die Erstellung von Stammbäumen ist die Basis für die Struktur und Funktionsaufklärung. Mit speziell entwickelten Algorithmen haben wir die Genorte präzise lokalisieren können.“, so Dr. Daniel Lang vom Helmholtz Zentrum München.
Prof. Dr. Cristobal Uauy, der Leiter der Studie am John Innes Centre, sagt: "Das genomische Wissen hat bei anderen Kulturarten wie Mais oder Reis zu einem sprunghaften Wissensanstieg und Fortschritt in der züchterischen Praxis geführt. Durch das jetzt komplett vorliegende Weizengenom und die darauf aufbauenden Arbeiten, lassen sich auch im Weizen Gene besser und schneller identifizieren. Dieses Wissen wird Forschern und Züchtern helfen, die allelischen Variationen des polyploiden Weizens zu nutzen, um Eigenschaften gezielt zu verbessern.“
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