Gatersleben, Germany
April 9, 2019
- Durum wheat (Triticum turgidum L. ssp. durum) is used for the production of pasta due to its high protein content. Durum wheat was selected from emmer wheat, which is the domesticated form of wild emmer wheat (Triticum dicoccoides).
- International collaboration of scientists for the sequencing of the durum wheat genome. This included researchers from the IPK, which used 3D-Capture Sequencing (Hi-C) to assemble and anchor the genome.
- The team determined the changes in the durum wheat genome which resulted from thousands of years of empirical selection and breeding.
- A mutation was identified in modern durum wheat, which led to the undesired accumulation of cadmium in the grain.
- Findings were published in Nature Genetics.
Durum wheat as the basis for Italian pasta. - Credit: Simona Corneti
Durum wheat (Triticum turgidum L. ssp. durum) is the basic commodity for the production of pasta, as this cereal plant yields grains with the necessary high content of gluten proteins. An international collaboration spearheaded by Italian researchers has now fully sequenced and assembled the genome of the durum wheat cultivar “Svevo”. Scientists from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK Gatersleben) participated to perform the assembly of the genome using the method of 3D-Conformation Capture Sequencing (Hi-C). Thanks to the sequenced durum wheat genome, the researchers were able to unravel its domestication history, going as far back as to the progenitor species wild emmer wheat (Triticum turgidum ssp. dicoccoides). The information provided by accessing the complete genome has already been utilised to gain new knowledge on the genetic properties of the important cereal species. By comparing the genomes of emmer and durum wheat, a mutation was found in the more recent crop plant, which is leading to an undesired accumulation of the heavy metal cadmium in the harvested grains. This discovery now enables plant breeders to selectively breed modern durum cultivars by removing the mutation to reduce cadmium content in grains and pasta.
The production of pasta requires very sticky, glutinous flour, which can be catered for by using wheat with a high percentage of gluten proteins in the grain. The tetraploid durum wheat (Triticum turgidum L. ssp. durum), also known as pasta wheat, produces grains with the ideal protein content for the manufacturing of tasty pasta products. Next to bread wheat (Triticum aestivum), durum wheat therefore counts as one of the most important wheat species.
Durum wheat originated from domesticated emmer wheat (Triticum turgidum ssp. dicoccum), the first evidence of durum wheat dating back to about 6,500 – 7,500 years ago. Domesticated emmer wheat itself was derived from wild emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccoides) in the Near-Eastern Fertile Crescent about 10,000 years ago. Durum wheat was established as a prominent crop plant only about 1,500 – 2,000 years ago. However, as continuous selection and breeding led to the modern durum wheat cultivars, it is nowadays regarded as an important milestone of the human-driven evolution of tetraploid wheat.
An Italian-led international collaboration of scientists has now fully sequenced and assembled the genome of the durum wheat cultivar “Svevo”. Its tetraploid genome has a size of 10.45 Giga base pairs (Gbp), slightly smaller than the 15 Gbp large genome of the hexaploid bread wheat, which was fully sequenced a year earlier. As part of the durum wheat project, Dr. Sara Milner, Dr. Axel Himmelbach, Dr. Martin Mascher and Dr. Nils Stein of the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK Gatersleben) took on the fine-tuning of the genome assembly process using 3D-Chromosome Conformation Capture Sequencing method known as “Hi-C”. This approach allows for the precise mapping of the linear genome sequence, by detecting and allocating genome sequences, which are in proximity to each other due to their three-dimensional folding in the nucleus.
Utilising the fully assembled genome, a global survey of the genetic diversity and selection signatures of 1,856 samples of the “Global Tetraploid Wheat Collection” was conducted. The resulting genome wide genetic diversity analysis of the entire spectrum of tetraploid wheat enabled the researchers to trace durum wheat’s genetic path back to its origin, whilst illustrating the consequence of thousands of years of empirical selection and breeding within the wheat genome. As such, the scientists found that the genetic diversity had especially been reduced during the domestication from wild emmer wheat, while subsequent adaptation, selection and breeding of the landraces of durum wheat and led to a comparatively mild decrease of the genetic diversity.
Through the direct comparison of “Svevo” with its wild progenitor, the scientists identified a mutation on chromosome 5B, which resulted in two alleles of the gene TdHMA3-B1. The original allele, TdHMA3-B1a, was found in the emmer accession and coded a cadmium transporter, which reduced the cadmium-content within the grains. The mutated allele, TdHMA3-B1b, however caused the transporter to fail, leading to a higher content of the toxic heavy metal in the modern crop plant. Further investigation proved that this undesirable trait was widespread amongst recent durum wheat cultivars.
Thanks to the discovery of the “high cadmium allele”, a hitherto unknown trait, which had unintentionally become established in modern durum wheat, was found. This knowledge now enables plant breeders to systematically breed new durum cultivars which no longer carry the defective cadmium transporter. The understanding of the domestication history of durum wheat and its effects on the genome, showcase the usefulness of genome analysis in modern wheat breeding. Genome analysis has become a key strategy for the identification of useful alleles, supporting breeding efforts such as reducing toxicity but also increasing grain yield, quality or wheat resilience.
Original publication: Marco Maccaferri et al. (2019) “Durum wheat genome reveals past domestication signatures and future improvement targets”, Nature Genetics, DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41588-019-0381-3
Vom Emmer zum Pastaweizen – Die Domestizierung des Hartweizens birgt Erkenntnisse für die moderne Weizenzüchtung
- Hartweizen (Triticum turgidum L. ssp. durum) wird aufgrund seines hohen Eiweißgehaltes in Teigwaren wie Pasta verwendet. Er stammt ursprünglich vom Wilden Emmer (Triticum dicoccoides) ab, dessen Domestizierung über Emmer Weizen zur modernen Form des Hartweizens führte.
- Internationale Kollaboration von Wissenschaftlern zur Sequenzierung und Untersuchung des Genoms des Hartweizens. Darunter Forscher des IPKs, welche unter Benutzung der 3D-Capture Sequenzierung (Hi-C) für die Assemblierung und Verankerung der Genome zuständig waren.
- Aufzeigen der Veränderungen im Hartweizen Genom, die aufgrund von tausender Jahre empirischer Selektion und Züchtung stattgefunden haben.
- U.a. wurde so eine Mutation im modernen Hartweizen identifiziert, welche zu einer unerwünschten Anreicherung von Cadmium im Weizenkorn führt.
- Publikation in Nature Genetics
Der Anbau von Hartweizen (Triticum turgidum L. ssp. durum) ist eine Voraussetzung für die Produktion von „Pasta“, denn diese Getreideart liefert Körner mit ausreichend Kleberproteinen, welche für die Teigwarenherstellung essentiell sind. In einer von italienischen Wissenschaftlern geführten internationalen Kollaboration wurde nun das Genom der Hartweizen Sorte „Svevo“ vollständig sequenziert und assembliert. Dabei führten Forscher des Leibniz- Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben, die Genomassemblierung basierend auf der Methode der 3D-Capture Sequenzierung (Hi-C) durch. Durch die Sequenzierung konnte nun die Domestizierungsgeschichte des Hartweizens, welcher vom Wilden Emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccoides) abstammt, entschlüsselt werden. Zusätzlich wird das neue Wissen zur Gewinnung von Erkenntnissen zu den genetischen Eigenschaften der Kulturpflanze verwendet. So wurde bereits durch den Vergleich der Genome der Emmer Akzession „Zavitan“ und der Hartweizen-Sorte „Svevo“ eine Mutation in der modernen Kulturart gefunden, welche zu einer unerwünschten Anreicherung von Cadmium im Weizenkorn führt. Dank dieser Entdeckung kann diese Eigenschaft nun aus modernen Sorten herausselektiert werden.
Zur Herstellung von Pasta wird Mehl mit einer hohen Klebrigkeit benötigt, welches durch Klebeproteine in den Getreidekörnern geliefert wird. Der tetraploide Hartweizen (Triticum turgidum L. ssp. durum), auch bekannt als Durumweizen, liefert Körner mit dem idealen Eiweißgehalt für die Herstellung leckerer Teigwaren und gilt somit neben dem hexaploiden Weich- oder Brotweizen (Triticum aestivum) als eine der wichtigsten Getreidearten.
Die ersten Nachweise des Hartweizens wurden auf vor ca. 6.500 – 7.500 Jahren datiert. Er gilt jedoch erst seit ca. 1.500 – 2.000 Jahren als wichtige Kulturpflanze. Dabei stammte der Hartweizen ursprünglich vom domestizierten Emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccum) ab, welcher wiederum vermutlich vor ca. 10.000 Jahren ausgehend vom Wilden Emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccoides) im nahöstlichen Fruchtbaren Halbmond domestiziert wurde. Kontinuierliche Selektion und Anpassung führten später zu den heutigen Kulturvarietäten des modernen Durumweizens, so dass Durumweizen als die Fortführung der von Menschen getriebenen Evolution von tetraploidem Weizen gilt.
In einer von Italienern geführten Zusammenarbeit internationaler Wissenschaftler ist nun das 10,45 Gigabasenpaare-große (Gbp) Genom der Durumweizen-Sorte „Svevo“ vollständig sequenziert und assembliert wurden. Zum Vergleich: das im letzten Jahr vollständig sequenzierte Genom unseres hexaploiden Brotweizens weist eine Größe von über 15 Gbp auf. Die Forscher Dr. Sara Milner, Dr. Axel Himmelbach, Dr. Martin Mascher und Dr. Nils Stein des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben, waren in der aktuellen Publikation für die Feinarbeit bei der Genomassemblierung zuständig. Dafür verwendeten sie am Gaterslebener Institut die 3D-Chromosome Conformation Capture Sequenzierung Methode (kurz „Hi-C“). Bei dieser werden Genomabschnitte, die aufgrund ihrer dreidimensionalen Faltung im Zellkern beieinanderliegen, ermittelt und zugeordnet, so dass eine exakte Zuordnung der linearen Sequenz möglich wird.
Anschließend wurde eine generelle Analyse der genetischen Diversität und der Selektionssignaturen von 1856 Mustern der „Global tetraploid Wheat Collection“ durchgeführt und das assemblierte Genom der Sorte „Svevo“ im Detail mit dem Genom der Emmer Sorte „Zavitan“ verglichen. Letzteres diente dabei der Identifizierung von sogenannten „Quantitativen Trait Loci“ (QTL) – statistisch abgesicherte Bereiche im Genom, die für eine Merkmalsausprägung verantwortlich und ein erster Schritt für die Isolation der entsprechenden Zielgene sind. QTLs markieren somit die für die Züchtung vorteilhaften Allele in den unterschiedlichen Genomen einer Varietät (Population).
Dank des direkten Vergleichs des Durumweizens „Svevo“ mit dessen wilden Vorfahren entdeckten die Wissenschaftler außerdem eine Mutation auf dem Chromosom 5B. Diese Veränderung resultierte in zwei Versionen des Allels TdHMA3-B1. Das ursprüngliche Allel TdHMA3-B1a, welches im „Zavitan“ zu finden ist, kodiert einen Metall-Transporter, welcher Cadmium transportiert und für einen geringen Cadmium-Gehalt in den Körnern sorgt. Das mutierte Allel TdHMA3-B1b hingegen führt zum Defekt des Transporters, was einen unerwünscht höheren Gehalt des Schwermetalls im Korn der modernen Kulturart verursacht. Die Forscher zeigten, dass das „high Cadmium“ Allel in Durum-Kulturvarietäten weit verbreitet ist und vermehrt in einer Untergruppe aus der Türkei vorkommt, was vermuten lässt, dass dies der Herkunftsort dieser Mutation ist.
Dank der Entdeckung des „high Cadmium“ Allels kann die Eigenschaft, die sich versehentlich im Laufe der Domestizierung im modernen Durumweizen etabliert hat und zu einer erhöhten Anlagerung des Schwermetalls im Weizenkorn führt, aus neuen Sorten herausgezüchtet werden. Die Genomanalyse des modernen Durumweizens und dessen wilden Vorfahren ist somit eine Schlüsselstrategie zur Identifizierung von Allelen in Weizen, die, wie beispielsweise in diesem Falle, Toxizität reduzieren aber auch für Zuchtbemühungen, welche den Hartweizen widerstandsfähiger oder ertragsreicher machen.
Originalpublikation: Marco Maccaferri et al. (2019) “Durum wheat genome reveals past domestication signatures and future improvement targets”, Nature Genetics, DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41588-019-0381-3
Species
