Germany
May 3, 2019
First they mapped the genome of wheat; now they have reconstructed its breeding history. Joining forces with other European researchers, scientists at the Helmholtz Zentrum München have examined the genetic diversity of wheat varieties in the WHEALBI study. By doing so, they discovered which cereals our ancestors cultivated, where today's wheat comes from, and what the Cold War has to do with it all. The results were recently published in the journal Nature Genetics.
As the population grows and climate change progresses, food resources could become scarce in future. In view of the impending scenarios, plant breeders are faced with the challenge of improving the yield of crop plants. Can existing varieties be optimized through breeding? To help boost the yield of today’s sorts, an international team of scientists studied the genetic diversity of various wheat varieties and in doing so have discovered astonishing relationships with human sociocultural history.
Scientists at Helmholtz Zentrum München were involved in the large-scale WHEALBI study, funded by the European Union. Along with teams from France, Italy, Hungary, Turkey and other European countries, they analyzed the genomes of 480 wheat varieties, including wild grasses, ancient grains and modern high-performance types. In addition to learn about the evolution and cultivation of today's bread wheat, the geneticists also linked the development of wheat to geographic and geopolitical events in human history.
Modern bread wheat originated around 10,000 years ago in the region of modern-day Turkey from a cross between durum wheat and a wild grass (Aegilops tauschii), while the grain we call spelt stems from cultivated emmer and various types of bread wheat. "The occurrence of cultivated plants is closely linked to human migrations over the millennia," says bioinformatician Michael Seidel, along with Daniel Lang one of the lead authors of the study. Both researchers work in the Plant Genome and Systems Biology group (PGSB) at the Helmholtz Zentrum München.
The PGSB team identified three gene pools in the bread-wheat varieties used today that are closely linked to historical events: one from high-yielding varieties domesticated in the near east that spread as part of the green revolution and two separate gene pools from Western and Central Europe. They diverged between 1966 and 1985 as a result of geopolitical and socio-economic separation during the Cold War. With the fall of the Iron Curtain in 1989, the wheat lines gradually admixed again, as their genomes reveal.
Even the emergence and expansion of the European Union can be seen in the genome of today’s wheat. Wheat lines that used to be cultivated mainly in Central Europe are now used throughout Europe. "These examples demonstrate the influence of humans on the distribution and evolution of crop plants – beyond their actual development into cultivated plants," as bioinformatician Lang of Helmholtz Zentrum München stated.
Knowledge of the genetic diversity of wheat is a prerequisite for optimizing modern wheat varieties. Familiarity with the key characteristics for breeding is the essential precondition for rendering future varieties more productive and meeting the demands of a growing world population and imminent climate change. Together with corn and rice, wheat ranks as one of the world’s three most important staple foods. Growing wheat in spite of dwindling soil and water resources in potentially challenging climatic conditions could become vital in the future.
Consequently, the researchers involved in the WHEALBI study identified previously unknown genes that influence the yield, flowering time, height and stability of wheat plants. For corresponding author Georg Haberer of the PGSB this is just the beginning: "We expect a large number of further studies that will make good use of these findings for breeding research."
Further information
Background:
An important basis for this part of the WHEALBI study was the complete sequencing of the wheat genome in 2018, to which researchers at Helmholtz Zentrum München also contributed.
Original publication
Pont, C et al (2019): Tracing the ancestry of modern bread wheats. Nature Genetics. DOI: 10.1038/s41588-019-0393-z
Was das Erbgut des Weizens über Kriege verrät
Erst kartierten sie das Genom des Weizens, jetzt rekonstruierten sie seine Züchtungsgeschichte: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München haben in der „WHEALBI-Studie“ gemeinsam mit anderen Forschenden aus Europa die genetische Vielfalt verschiedener Weizensorten untersucht. Sie fanden heraus, welche Getreide unsere Vorfahren kultivierten, woher der heutige Weizen stammt und was der Kalte Krieg damit zu tun hat. Die Ergebnisse hat das Fachmagazin „Nature Genetics“ jetzt veröffentlicht.
Die Bevölkerung wächst, das Klima verändert sich und Nahrungsressourcen könnten in Zukunft knapp werden. Angesichts der drohenden Szenarien ist auch die Landwirtschaft gefragt: Was könnte den Anbau von Nutzpflanzen ertragreicher machen? Lassen sich bestehende Sorten durch Züchtung optimieren? Um den Ertrag heute genutzter Sorten weiter zu verbessern, hat ein internationales Wissenschaftsteam die genetische Vielfalt verschiedener Weizenarten untersucht – und dabei erstaunliche Zusammenhänge zur menschlichen Geschichte entdeckt.
Auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München waren an der groß angelegten und von der Europäischen Union geförderten „WHEALBI-Studie“ beteiligt. Gemeinsam mit Teams aus Frankreich, Italien, Ungarn, der Türkei und anderen europäischen Ländern nahmen sie das Erbgut von 480 Weizenarten unter die Lupe, darunter wilde Sorten, alte Kulturpflanzen und sogenannte Hochleistungssorten. Die Genexperten fanden nicht nur mehr über die Evolution und Kultivierung des heutigen Brotweizens heraus, sondern konnten dessen Entwicklung sogar mit geografischen und geopolitischen Ereignissen der Menschheitsgeschichte in Verbindung bringen.
So entstand etwa der moderne Brotweizen vor rund 10.000 Jahren im Gebiet der heutigen Türkei aus einer Kreuzung aus Hartweizen und eines Wildgrases (Aegilops tauschii), während der uns bekannte Dinkel von kultiviertem Emmer und verschiedenen Brotweizensorten abstammt. „Das Vorkommen von Kulturpflanzen ist eng an die Besiedelungsbewegung der Menschen über die Jahrtausende gekoppelt“, so Bioinformatiker Michael Seidel, gemeinsam mit Daniel Lang einer der Erstautoren der Studie. Beide arbeiten in der selbstständigen Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome (PGSB) am Helmholtz Zentrum München.
Das Team des PGSB identifizierte in den heute genutzten Brotweizensorten drei Genpools, die eng mit historischen Begebenheiten zusammenhängen: einen aus Hochertragssorten, die ursprünglich am nördlichen Rand der syrischen Wüste wuchsen und im Rahmen der „Grünen Revolution“ weltweite Verbreitung erfuhren, sowie zwei Genpools aus West- und Zentraleuropa. Letztere lassen sich auf einen gemeinsamen Ursprung zurückführen und spalteten sich zwischen 1966 und 1985 auf – als Folge der geopolitischen und sozioökonomischen Trennung während des Kalten Krieges. Als 1989 der Eiserner Vorhang fiel, vermischten sich die Weizenlinien wieder, wie ihre Gene verraten.
Sogar die Entstehung und Ausweitung der Europäischen Union lässt sich heute im Erbgut des Weizens ablesen: Weizenlinien, die vorher vornehmlich in Zentraleuropa angebaut wurden, finden mittlerweile in ganz Europa Verwendung. „Diese Beispiele demonstrieren den menschlichen Einfluss auf die Evolution von Nutzpflanzen“, so Bioinformatiker Lang vom Helmholtz Zentrum München. „Und zwar über ihre eigentliche Entwicklung zur Kulturpflanze hinaus.“
Die genetische Vielfalt des Weizens zu kennen, ist Voraussetzung dafür, die moderne Weizenzüchtung zu optimieren. Denn nur, wer die für die Zucht entscheidenden Merkmale kennt, kann zukünftige Sorten produktiver werden lassen – und so der wachsenden Weltbevölkerung und dem bevorstehenden Klimawandel begegnen. Zusammen mit Mais und Reis zählt Weizen zu den drei wichtigsten Grundnahrungsmitteln der Welt. Ihn trotz knapper werdenden Boden- und Wasserressourcen unter möglicherweise schwierigen klimatischen Bedingungen anzubauen, könnte in Zukunft überlebenswichtig sein.
Die an der WHEALBI-Studie beteiligten Züchtungsforscher identifizierten deshalb bis dato unbekannte Gene, die den Ertrag, die Blühzeit, die Höhe sowie die Standfestigkeit der Weizenpflanzen beeinflussen. Für den korrespondierenden Autor bei der Studie, Dr. Georg Haberer vom PGSB, ist das erst der Anfang: „Wir erwarten eine Vielzahl weiterer Arbeiten, die diese Erkenntnisse für die Züchtungsforschung nutzbar machen werden.“
Hintergrund:
Eine wichtige Basis für diesen Teil der WHEALBI-Studie war die vollständige Sequenzierung des Weizengenoms aus dem Jahr 2018, an der ebenfalls Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München beteiligt waren.
Original-Publikation:
Pont C. et al. (2019), Tracing the ancestry of modern bread wheats. Nature Genetics. DOI: 10.1038/s41588-019-0393-z https://www.nature.com/articles/s41588-019-0393-z
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16.11.17
Weizenzucht optimieren – durch Genomvergleich mit natürlichen Vorfahren
https://www.helmholtz-muenchen.de/aktuelles/uebersicht/pressemitteilungnews/arti...
Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus, Allergien und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 19 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören.https://www.helmholtz-muenchen.de/index.html
Der Schwerpunkt der selbstständigen Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome (PGSB) ist die Genom- und Systemorientierte Bioinformatik pflanzlicher Genome. In diesem Rahmen werden Genomverschlüsselungen, Expressionsmuster, funktionelle und systembiologische Fragestellungen untersucht. PGSB verwaltet außerdem einen großen Datensatz pflanzlicher Genome in Datenbanken und macht diese zusammen mit vergleichenden Analysen der Öffentlichkeit zugänglich. PGSB gehört zum Institut für Bioinformatik und Systembiologie.http://pgsb.helmholtz-muenchen.de/plant/index.jsp
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