Gatersleben, Germany
July 7, 2017
A team of researchers has published the first-ever wild emmer wheat genome sequence: Wild Emmer wheat is the wild form of nearly all the domesticated wheat in the world, including both durum (pasta) and bread wheat. Wild emmer is too low-yielding to be of use to farmers today but it contains several attractive characteristics that could be used by plant breeders.
The study was led by Dr. Assaf Distelfeld of Tel Aviv University’s School of Plant Sciences and Food Security and Institute for Cereal Crops Improvement, in collaboration with scientists from several dozen institutions around the world and Israeli based company - NRGene, who developed the bioinformatics technology that accelerated the research just published in Science magazine.
“This research is a synergistic partnership between public and private entities,” said Daniel Chamovitz, PhD, Dean, George S. Wise Faculty of Life Sciences, Tel Aviv University, who was also involved in the research. “Ultimately, this research will have a significant impact on the global food supply and world hunger.”
“Our ability to generate the wild emmer wheat genome sequence so rapidly is a huge step forward in genomic research,” said Curtis Pozniak, PhD, Professor, Ministry of Agriculture Strategic Research Program Chair, University of Saskatchewan, and a project team member. “Wheat accounts for almost 20% of the calories humans consume worldwide, so a strong focus on improving the yield and quality of wheat is essential for our future food supply.”
“From a biological and historical viewpoint, we have created a ‘time tunnel’ that we can use to examine wheat from before the origins of agriculture,” said Dr. Distelfeld. “Our comparison to modern wheat has enabled us to identify the precise genes that allowed domestication – the transition from wheat grown in the wild to modern day varieties. While the seeds of wild wheat readily fall off the plant and scatter, a change in two genes meant that in domesticated wheat, the seeds remained attached to the stalk, and it is this trait that enabled humans to harvest wheat.”
“This new resource allowed us to identify a number of other genes that control main traits that were selected by early humans during wheat domestication and that served as foundation for developing modern wheat cultivars” said Dr. Eduard Akhunov of Kansas State University. “These genes provide invaluable resource for empowering future breeding efforts. Wild emmer is known as a source of novel variation that can help to improve the nutritional quality of grain, and tolerance to diseases and water-limiting conditions”
The new genomic tools are already being implemented to identify new genes for wheat production improvement under changing environment, explains Dr. Zvi Peleg of the Hebrew University of Jerusalem, Israel. “While many modern wheat cultivars are susceptible to water stress, wild emmer has undergone long evolutionary history under the drought-prone Mediterranean climate. Thus, utilization of the wild genes in wheat breeding programs will promote producing more yield for less drop.”
“The wild emmer wheat genome is much more complex than most of the other crops and has a genome which is more than three times the size of a human genome.” said Gil Ronen, NRGene’s CEO. “Still, the computational technology we have developed has for the first time allowed us to assemble a large and complex genome to a standard never achieved before”. For the first time, the sequences of the 14 chromosomes of wild emmer wheat are collapsed into a refined order, thanks in part to 3D conformation capture sequencing, a technology originally tested in humans and recently demonstrated in barley, both of which have smaller genomes than wild emmer wheat. “These innovative technologies have changed the game in assembling the large cereal genomes, if not in general”, says Nils Stein, Head of the research group Genomics of Genetic Resources at Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), Germany.
“This sequencing approach used for wild emmer wheat is unprecedented, and has paved the way to sequence durum wheat (the cultivated form of wild emmer). Now we can better understand how humanity was able to transform this wild plant into a modern high yielding durum wheat” said Luigi Cattivelli, co-author of the work and coordinator of the International Durum Wheat Genome Sequencing Consortium.
“We now have the tools to study crops directly and to make and apply our discoveries more efficiently than ever before,” concluded Dr. Distelfeld.
Publication:
Avni R, Nave M, Barad O, Twardziok SO, Gundlach H, Hale I, Mascher M, Spannagl M, Wiebe K, Jordan KW, Golan G, Deek J, Ben-Zvi B, Baruch K, Ben-Zvi G, Himmelbach A, MacLachlan RP, Sharpe AG, Fritz A, Ben-David R, Budak H, Fahima T, Korol A, Faris JD, Hernandez A, Mikel MA, Levy A, Steffenson B, Maccaferri M, Tuberosa R, Cattivelli L, Faccioli P, Ceriotti A, Kashkush K, Pourkheirandish M, Komatsuda T, Eilam T, Sela H, Sharon A, Ohad N, Chamovitz DA, Mayer KFX, Stein N, Ronen G, Peleg Z, Pozniak CJ, Akhunov ED, Distelfeld A (2017) Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication. Science doi: 10.1126/science.aan0032
Publikation in Science: Erste Genomsequenz des Wilden Emmers
Titel: Nils Stein bei der Beobachtung von Getreide unter Gewächshausbedingungen (IPK/Sebastian Mast).
Ein internationales Forschungsteam mit der Beteiligung von Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) hat die erste Genomsequenz des Wilden Emmers in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Wilder Emmer ist die Ursprungsart fast aller Kulturweizensorten in der Welt, einschließlich des für die Nudelherstellung verwendeten Hart- als auch des Brotweizens. Aufgrund seiner brüchigen Ähren ist er für die Landwirtschaft uninteressant, jedoch weist er einzelne Merkmale auf, die für die Züchtung verbesserter Weizensorten von großem Interesse sind.
Die Studie wurde im Rahmen einer internationalen Kooperation mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Forschungseinrichtungen, von Dr. Assaf Distelfeld geleitet, einem Pflanzenwissenschaftler der israelischen Universität Tel Aviv. Neben dem IPK in Gatersleben und dem Helmholtz Zentrum München war auch die israelische Firma NRGene beteiligt, welche die für die Entschlüsselung des Genoms notwendigen bioinformatischen Methoden entwickelte.
Die Zusammenarbeit lieferte Resultate, die zukünftig einen wesentlichen Beitrag zur globalen Ernährungssicherung leisten könnten“, freut sich Dr. Daniel Chamovitz, der ebenfalls an der Universität Tel Aviv an der Studie arbeitete, „Immerhin werden etwa 20% der weltweit konsumierten Kalorien in Form von Weizen produziert.“
Ein Vergleich der Genome moderner Weizensorten mit dem Genom des Wilden Emmers erlaubt es nicht nur, neue Gene zu identifizieren, welche die Züchtung stressresistenter und ertragreicherer Weizensorten ermöglichen werden, sondern gewährt auch einen Einblick in die Schritte der etwa 10.000 Jahre währenden Domestikationsgeschichte dieser wichtigen Kulturart.Die Sequenzierung der sehr komplexen Weizengenome ist eine besondere Herausforderung, denn sie sind mehr als dreimal so groß wie das menschliche Genom. „Innovative Technologien erlaubten es uns, die Sequenz des Wilden Emmers und anderer Weizengenome in hoher Qualität zu erarbeiten, “ erläutert Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomik Genetischer Ressourcen am IPK in Gatersleben.
Damit stehen der Wissenschaft nun die Werkzeuge zur Verfügung, die Genomsequenzen wichtiger Kulturpflanzen und deren verwandten Wildarten effizient und schnell zu entschlüsseln und damit die Grundlage für Erkenntnisgewinn und Entdeckungen für deren wissensbasierte Verbesserung im Sinne der globalen Ernährungssicherung und einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Praxis zur Verfügung zu stellen.
Publication:
Avni R, Nave M, Barad O, Twardziok SO, Gundlach H, Hale I, Mascher M, Spannagl M, Wiebe K, Jordan KW, Golan G, Deek J, Ben-Zvi B, Baruch K, Ben-Zvi G, Himmelbach A, MacLachlan RP, Sharpe AG, Fritz A, Ben-David R, Budak H, Fahima T, Korol A, Faris JD, Hernandez A, Mikel MA, Levy A, Steffenson B, Maccaferri M, Tuberosa R, Cattivelli L, Faccioli P, Ceriotti A, Kashkush K, Pourkheirandish M, Komatsuda T, Eilam T, Sela H, Sharon A, Ohad N, Chamovitz DA, Mayer KFX, Stein N, Ronen G, Peleg Z, Pozniak CJ, Akhunov ED, Distelfeld A (2017) Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication. Science doi: 10.1126/science.aan0032
Mehr Informationen:
Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben ist eine außeruniversitäre, mit Bundes- und Ländermitteln geförderte Forschungseinrichtung und Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Am IPK forschen und arbeiten mehr als 500 Mitarbeiter/-innen aus über 30 Nationen. Zentrales Anliegen der wissenschaftlichen Arbeiten am IPK ist die Untersuchung der genetischen Vielfalt von Kultur- und verwandten Wildpflanzen und der Prozesse, die zu ihrem Entstehen geführt haben. Daraus abgeleitet erfolgt die Aufklärung der molekularen Mechanismen, die zur Ausprägung und Variation pflanzlicher Merkmale beitragen. Hieraus erwachsende Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung und Anwendung von Strategien zu einer vertieften Charakterisierung und darauf aufbauend zu einer wissensbasierten Nutzbarmachung der in der Genbank vorgehaltenen pflanzengenetischen Ressourcen.
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