Zurich, Switzerland
November 25, 2020
Great genetic diversity: There are more than 560,000 different varieties of bread wheat. (Image: Rebecca Leber, UZH)
Bread wheat can grow in highly diverse regional environments. An important reason for its great genetic variety is the cross-hybridization with many chromosome fragments from wild grasses. This is shown by the genome sequences of 10 wheat varieties from four continents, which an international consortium including researchers from the University of Zurich has now decoded.
A variety of bread wheat that flourishes across Switzerland would remain just a poorly growing grass in India. This ability to adapt to regional climate conditions and environmental factors makes bread wheat the most commonly grown crop around the world. Its cultivation dates back around 8,000 years. Over time, more than 560,000 different varieties have developed. Seeds of each variety are stored in international seed vaults. Until now, however, the genetic factors responsible for the diversity and adaptability of wheat were largely unknown.
Genomes of 10 wheat varieties completely deciphered
Previously, the only bread wheat genome to have been decoded was from an old Chinese landrace. It has served as a model plant in research for many years, but differs greatly from the properties of more modern wheat varieties used in agriculture. Now an international consortium led by University of Saskatchewan wheat breeder Curtis Pozniak and involving more than 100 researchers from nine countries - including plant and evolutionary biologists from the University of Zurich (UZH) - has completely sequenced the genomes of 10 wheat varieties from North America, Asia, Australia and Europe. "The 10 varieties represent a significant portion of the worldwide variety of wheats. The genome data, which are freely available to all interested parties, constitute an important resource for humanity," says Beat Keller, professor at the UZH Department of Plant and Microbial Biology.
Chromosome fragments from wild grasses cross-hybridized
With around 100,000 genes on 21 chromosomes, the wheat genome is approximately five times larger than the human genome. Like other kinds of grains, the modern common wheat has a multiple set of chromosomes that came about through hybridization and combining of three different parent plants. "We were able to find numerous differences in the genome structure of the investigated wheat varieties. They differ in particular through large chromosome fragments which at some time in the past were cross-hybridized by wild grasses," adds UZH researcher Thomas Wicker, one of the corresponding authors of the study. While some of these fragments were transferred through targeted cultivation, the source of most fragments is still unknown.
Crossing of species boundaries leads to diversity
If chromosome fragments from wild grasses are crossed with wheat, the species boundary has been crossed. According to the researchers, this process is a significant biological factor behind the diversity and adaptability of wheat. This is exemplified by the large differences in the type and number of immune receptors they discovered in the genome sequences. "This variability shows that the different varieties have adapted to the regionally varying plant diseases, such as viruses and fungi, or pests, such as insects," says Wicker.
Meet rising demand thanks to more targeted cultivation
According to Kentaro Shimizu, UZH professor at the Department of Evolutionary Biology and Environmental Studies, triple chromosome sets of bread wheat gives it another evolutionary advantage: "Single genes can change while other copies of the same gene retain their original function. The plant then has a greater repertoire of possibilities for adaptation." Alongside the discovery of the genes for particular quality features and resistances, which are of agronomic significance - exemplified by the Japanese cultivar Norin 61 in an additional publication of the UZH researchers - , the "10+ Wheat Genome Project" also enables a more targeted cultivation of specific wheat varieties, which will help that the rising worldwide demand can be met in the future.
Weizen-Vielfalt entstand durch Einkreuzung von Wildgräsern
Brotweizen ist enorm anpassungsfähig an unterschiedliche regionale Bedingungen. Entstanden ist seine grosse genetische Vielfalt insbesondere durch die Einkreuzung zahlreicher Chromosomen-Fragmente aus Wildgräsern. Das zeigen die Genomsequenzen von zehn Weizensorten aus vier Kontinenten, die ein internationales Konsortium mit Beteiligung von Forschenden der Universität Zürich nun entschlüsselt hat.
Eine Brotweizensorte, die in der Schweiz prächtig gedeiht, bleibt in Indien ein kümmerliches Gras. Diese Anpassungsfähigkeit an regionale Klimabedingungen und Umweltfaktoren macht Weizen zur weltweit wichtigsten Kulturpflanze. Er wird seit rund 8‘000 Jahren angebaut. Seither sind mehr als 560‘000 unterschiedliche Sorten entstanden, die in internationalen Saatgutbanken aufbewahrt werden. Welche genetischen Grundlagen für die Vielfalt und das Anpassungsvermögen von Weizen verantwortlich sind, war bislang weitgehend unbekannt.
Genom von zehn Weizensorten vollständig bestimmt
Einzig das Genom einer alten chinesischen Landsorte wurde bisher entschlüsselt. Sie dient der Forschung seit vielen Jahren als Modellpflanze, unterscheidet sich jedoch stark von den Eigenschaften moderner, landwirtschaftlich genutzter Weizensorten. Nun hat ein internationales Konsortium unter der Leitung der University of Saskatchewan mit mehr als 100 Forschenden aus neun Ländern – darunter Pflanzen- und Evolutionsbiologen der Universität Zürich (UZH) – das Erbgut von zehn Brotweizensorten aus Nordamerika, Asien, Australien und Europa vollständig und in hoher Qualität sequenziert. «Die zehn Sorten repräsentieren einen bedeutenden Teil der weltweiten Weizenvielfalt. Die Genomdaten, die für alle Interessierten frei verfügbar sind, stellen eine wichtige Ressource für die Menschheit dar», sagt Beat Keller, Professor am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der UZH.
Chromosomen-Fragmente aus Wildgräsern eingekreuzt
Mit rund 100'000 Genen auf 21 Chromosomen ist das Weizengenom etwa fünfmal grösser als das menschliche Erbgut. Wie andere Getreidearten besitzt der heutige Brotweizen einen mehrfachen Satz an Chromosomen, der durch Hybridisierung und Verschmelzung von drei verschiedenen Elternpflanzen entstanden ist. «Wir konnten zahlreiche Unterschiede in der Genom-Struktur der untersuchten Weizensorten finden. Sie unterscheiden sich insbesondere durch grosse Chromosomen-Fragmente, die irgendwann in der Vergangenheit aus Wildgräsern eingekreuzt wurden», ergänzt UZH-Forscher Thomas Wicker, einer der Letztautoren der Studie. Während einige dieser Fragmente durch gezielte Züchtung in Weizen übertragen wurden, ist der Ursprung der meisten Fragmente noch unbekannt.
Überschreitung der Artgrenze führt zu Vielfalt
Kreuzen Chromosomen-Fragmente aus Wildgräsern in Weizen ein, wird die Artgrenze überschritten. Gemäss den Wissenschaftlern ist dieser Prozess eine wichtige biologische Grundlage für die Vielfältigkeit und Anpassungsfähigkeit von Weizen. Exemplarisch zeigt sich dies in den grossen Unterschieden in Art und Anzahl der Immunrezeptoren, die sie in den Genomsequenzen entdeckten. «Diese Variabilität zeigt, dass sich die verschiedenen Sorten an regional unterschiedliche Pflanzenkrankheiten wie Viren und Pilze oder Schädlinge wie Insekten angepasst haben», so Wicker.
Steigenden Bedarf sicherstellen dank gezielterer Züchtung
Gemäss Kentaro Shimizu, UZH-Professor am Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften, verleiht der dreifache Chromosomensatz dem Weizen einen weiteren evolutionären Vorteil: «Einzelne Gene können sich verändern, während andere Kopien derselben Gene ihre ursprüngliche Funktion behalten. Die Pflanze hat somit ein grösseres Repertoire an Möglichkeiten und ist anpassungsfähiger.» Wie die UZH-Forschenden in einer zusätzlichen Publikation am Beispiel der Japanischen Brotweizensorte «Norin 61» zeigen, ermöglicht das «10+ Wheat Genome Project» neben der Entdeckung agronomisch wichtiger Gene für Qualitätsmerkmale und Resistenzen zudem, Weizensorten gezielter zu züchten, um den weltweit steigenden Bedarf auch in Zukunft sicherzustellen.
Literatur:
Sean Walkowiak, Liangliang Gao, Cecile Monat et. al. Multiple wheat genomes reveal global variation in modern breeding. Nature. 25 November 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2961-x
Kentaro K. Shimizu, Dario Copetti, Moeko Okada, Thomas Wicker et al. De Novo Genome Assembly of the Japanese Wheat Cultivar Norin 61 Highlights Functional Variation in Flowering Time and Fusarium Resistance Genes in East Asian Genotypes. Plant and Cell Physiology. November 2020. DOI: 10.1093/pcp/pcaa152
Finanzierung
Unter den zehn entschlüsselten Weizengenomen war auch die Schweizer Weizensorte «ArinaLrFor». Finanziert wurde das Projekt vom Bundesamt für Landwirtschaft, der UZH sowie durch Verbände und Firmen aus den Bereichen Weizenzüchtung, Weizenproduktion und Backindustrie. Die japanische Weizensorte «Norin 61» wurde von UZH-Forschenden in Zusammenarbeit mit der Japan Science and Technology Agency entschlüsselt.
Topics
Species
