Forschung

Rüben sind wichtige Kulturpflanzen in Österreich und zahlreichen weiteren Ländern mit gemäßigtem Klima. Zu den kultivierten Rüben zählen die Zuckerrübe, als zweitwichtigster Zuckerlieferant weltweit, sowie Futterrübe, Rote Rübe (in Österreich auch als Rahne bekannt) und Mangold. Die nächsten Verwandten dieser Kulturpflanzen sind wilde Rübenarten, die an den europäischen Atlantikküsten und im Mittelmeerraum heimisch sind. Alle diese Rüben sind miteinander kreuzbar, wodurch Eigenschaften von wilden auf kultivierte Rüben übertragen werden können. Da Kulturpflanzen nur einen Bruchteil der ursprünglichen genetischen Vielfalt der Art enthalten, ist die Untersuchung ihrer wilden Verwandten ein wichtiges Forschungsgebiet. Die Unterschiede zweier Genome können wenige Positionen im Genom betreffen und leicht zu untersuchen sein. Daneben gibt es auch komplexe Unterschiede, die Tausende oder sogar Millionen von Basenpaaren umfassen können, und "strukturelle Varianten" (SVs) genannt werden. Im BeetSV-Projekt werden SVs in den Genomen von wilden und kultivierten Rüben ermittelt und charakterisiert. SVs sind in Pflanzengenomen bisher nicht gut erforscht, obwohl man bereits weiß, dass SVs wichtige Eigenschaften wie Blühverhalten und Krankheitsresistenzen beeinflussen können. Um SVs in Rüben umfassend zu untersuchen, wird ein Datensatz von mehr als 1100 wilden und kultivierten Rüben genutzt, von denen die DNA-Sequenz der Genome bereits vorliegt. Moderne Methoden wie maschinelles Lernen kommen zum Einsatz, um SVs in den Genomen zu identifizieren zu analysieren. Insbesondere wird untersucht, welche SVs charakteristisch für bestimmte Rübengruppen sind, und es wird bestimmt, in welchen Genen SVs vorliegen. Im Fokus stehen besonders solche SVs, die möglicherweise mit Krankheitsresistenzen verbunden sind. Auch die Auswirkungen von Transposons (mobile Segmente innerhalb des Genoms) werden untersucht. Als Ergebnis von BeetSV werden neue Erkenntnise über die Genomstruktur von Rüben und den Einfluss von SVs auf die Evolution des Genoms, insbesondere hinsichtlich Krankheitsresistenzen, erwartet. Das im BeetSV-Projekt erworbene Wissen wird wesentliche Beiträge zur Züchtung von Rübensorten mit erhöhter Stresstoleranz leisten. Verantwortliche Wissenschaftler:innen BeetSV wird gemeinsam von Assoc. Prof. Dr. Juliane Dohm und Univ. Prof. Dr. Heinz Himmelbauer geleitet, beide arbeiten im Insitut für Computergestützte Biologie an der BOKU.

Wilde Verwandte von Kulturpflanzen ("crop wild relatives", CWRs) sind Wildpflanzenarten, die genetisch mit Kulturpflanzen verwandt sind. Ihre ungenutzte Vielfalt kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber biotischem und abiotischem Stress sowie die Nährstoffqualität moderner Kulturpflanzen verbessern. Weizen, Zuckerrüben und Raps wurden von Pro-Wild ausgewählt, weil sie für die Ernährungssicherheit und die Landwirtschaft in der EU wichtig sind und weil einige ihrer wilden Verwandten in Europa endemisch sind. Darüber hinaus stellen diese CWRs eine reichhaltige und wenig genutzte Ressource dar, die benötigt wird, um die mit dem Klimawandel und dem Übergang zu einer Landwirtschaft mit geringem Input verbundenen Herausforderungen zu bewältigen. Die genetische Vielfalt und die Anfälligkeit dieser CWRs müssen besser charakterisiert werden, um ihre Erhaltung und Nutzung zu optimieren. Die Ziele von Pro-Wild bestehen darin, Prioritäten für die In-situ-Erhaltung der ausgewählten CWR-Genpools zu ermitteln, die Sammlungen von CWR-Genbanken zu erfassen und zu ergänzen und die Nutzung von CWR bei der Verbesserung von Kulturpflanzen zu steigern. An Pro-Wild sind 18 Partner aus 11 EU- und assoziierten Ländern beteiligt, die über Fachwissen in den Bereichen Ökologie, konservatorischen Maßnahmen, Genomik, Pathologie, Mikrobiologie, Pflanzenzucht, Landwirtschaft und Soziologie verfügen. Pro-Wild wird Karten zum Vorkommen von CWRs in-situ erstellen und analysieren. Pro-Wild wird die Anfälligkeit verschiedener CWR-Arten und -Populationen gegenüber Klimaveränderungen vorhersagen. Die Ex-situ-Sammlungen werden durch gefährdete CWR-Zugänge ergänzt. Pro-Wild wird die Widerstandsfähigkeit von CWRs gegenüber relevanten biotischen und abiotischen Stressfaktoren untersuchen. Die Identifizierung erwünschter CWR-Merkmale und deren Übertragung in Elitesorten wird durchgeführt, um die Nutzung von CWRs zu fördern. Insgesamt werden die spezifischen Ziele von Pro-Wild mit Beiträgen von Züchtern, Landwirten und Verbrauchern koordiniert. Die Ergebnisse von Pro-Wild werden durch Forschung, Bildung und Ausbildung zu den europäischen "Green-Deal"-Initiativen beitragen. Sie dienen der EU-Biodiversitäts- und der "Farm to Fork"-Strategie durch Schutz, Charakterisierung und Nutzung von Wildarten, die für die Erhaltung unserer Lebensgrundlagen von einzigartiger Bedeutung sind. (Übersetzt mit DeepL)

Die Zuckerrübe (Beta vulgaris ssp. vulgaris) ist eine relative junge Nutzpflanze, welche von der Wild Rübe (Beta vulgaris ssp. maritima) abstammt, einer in West- und Südeuropa beheimateten Küstenpflanze. Transposons haben einen massiven Einfluss auf die Genomstruktur und der Funktionalität von Genen. Von den vielen verschiedenen Transposons und repetitiven Elementen, die in einem Genom enthalten sind, ist nur eine kleine Teilmenge intakt und voll funktionsfähig. Selbst dieser kleine Anteil hat eine große Einflussnahme auf das Genom, durch dem alternativen Splicing von Genen, der Einführung von neuen Promotoren, geänderten Genregulierung oder durch die Inaktivierung von Genfunktionen. Diese Änderungen haben schlussendlich auch Einfluss auf den Phänotyp der Rüben. Das Genom ist nicht statisch, sondern in ständiger Bewegung: Transposons werden an neuen Positionen im Genom eingefügt; danach wirken Selektions- und Mutationsprozesse auf sie ein. Repetitive Elemente, die sich negativ auf den Organismus auswirken, verschwinden schnell, während andere, die sich neutral zeigen oder sogar nützlich sind, erhalten bleiben. Durch den Vergleich verschiedener Genomsequenzdaten der domestizierter Zuckerrübe und ihrer wilden Verwandten bewerten wir die mutagenen Ereignisse, die in der jüngeren evolutionären Vergangenheit im Rübengenom stattgefunden haben, und untersuchen die Rolle, die Transposons bei der Evolution des Rübengenoms gespielt haben. Erkenntnisse über das Rübengenom und der repetitiven Genomlandschaf können neue Erkenntnisse über die jüngste Genomentwicklung der Zuckerrübe liefern und eine Grundlage für deren weitere Verbesserungen als Kulturpflanze bilden.