Forschungs- und Innovationsprojekt
Erstellung eines Pan-Genoms in Lolium und Festuca Arten

Schematisch dargestellt als überlappende Kreise sind die Genome der drei Arten Deutsches Weidelgras/Lolium perenne, Welsches Weidelgras/Lolium multiflorum und Wiesenschwingel/Festuca pratensis sowie darübergelegt Festulolium loliaceum als artübergreifende Kreuzung zwischen Deutschem Weidelgras und Wiesenschwingel. Die Abbildung symbolisiert das Projektziel, die Schnittmengen und Unterschiede zwischen den einzelnen Genomen zu untersuchen.

Überlappungen zwischen den Genomen der Gattungen Lolium und Festuca

Mitwirkung an einem internationalen Konsortium zur Erstellung eines Pan-Genoms im Festuca-Lolium Genomkomplex – The International Lolium-Festuca Pangenome Consortium (ILFPC)

Die Pflanzengattungen Lolium und Festuca beinhalten die weltweit bedeutendsten Futter- und Rasengräser der gemäßigten Breiten. Im Gegensatz zu anderen landwirtschaftlich genutzten Arten, wie Mais oder Reis stehen bisher für Futtergräser vergleichsweise wenige Genominformationen zur Verfügung. So existieren aus beiden genannten Gattungen nur unvollständige Versionen der DNA-Sequenz, basierend auf Einzelpflanzen.

Zielsetzung

Ziel des Lolium-Festuca Pangenom Konsortiums ist daher, die Datenbasis bezüglich der Genominformationen in den Gattungen Lolium und Festuca zu erweitern. Nach Abschluss der Projektarbeiten sollen für beide Gattungen wesentlich verbesserte und erweiterte Informationen zur DNA-Sequenz und Genomstruktur vorliegen.
Im Rahmen des Konsortiums werden von den Arten Welsches Weidelgras (Lolium multiflorum LAM.), Deutsches Weidelgras (Lolium perenne L.) und Wiesenschwingel (Festuca pratensis HUDS.) in jeweils mehreren Individuen einer Art das Erbgut vollständig entschlüsselt und aus der Gesamtheit der Daten ein sog. Pangenom (=Gesamtheit aller Gene, aus den verschiedenen Individuen/Arten) erstellt. Der Beitrag der LfL zum Konsortium besteht in einem Artbastard aus Deutschem Weidelgras und Wiesenschwingel (X Festulolium loliaceum), der dazu dienen soll, strukturelle Unterschiede und Gemeinsamkeiten beider nah verwandter Genome aufzudecken.

Ausgangssituation

Die Genome von Deutschem Weidelgras und Wiesenschwingel kommen natürlicherweise diploid vor mit 2n = 2x = 14 Chromosomen. Die Genomgröße von Welschem und Deutschem Weidelgras umfasst ca. 2,6 Gbp (= 2,6 Mrd. DNA-Basenpaare), das Genom von Wiesenschwingel ist geringfügig größer (ca. 3,2 Gbp). Es entspricht damit in etwa der Hälfte des Gerstengenoms oder dem 8-fachen der Gräsermodellpflanze Brachypodium distachyon (L.) P.BEAUV. mit 280 Mbp. Ein erster Entwurf einer Lolium-Referenz DNA-Sequenz aus dem Jahr 2015 umfasste 1,128 Gbp, welcher durch die Konsortiumsarbeiten erheblich erweitert werden soll.

Methode

Aus dem Vorgängerprojekt „Erweiterung der nutzbaren Diversität im Bayerischen Genpool bei Wiesenschwingel zur Übertragung relevanter Merkmale aus Deutschem Weidelgras sowie Bildung eines eigenständigen Festulolium-Genpools“ stehen zahlreiche verifizierte F1-Pflanzen aus der Kreuzung Deutsches Weidelgras x Wiesenschwingel zur Verfügung, woraus ein Kandidat für die Konsortiumsarbeiten ausgewählt wurde. Dieser wird im Rahmen des Konsortiums zusammen mit Einzelpflanzen von Welschem Weidelgras, Deutschem Weidelgras und Wiesenschwingel einer vertieften Genomsequenzierung (next generation sequencing) unterzogen, die erhaltenen Sequenz-Fragmente mit bioinformatischen Methoden zu größeren Einheiten zusammengesetzt (Assemblierung zu Referenzsequenzen der einzelnen Arten) und vergleichende Studien zwischen den Arten durchgeführt (Erstellung eines Pan-Genoms).

Information zum Vorgängerprojekt

Erweiterung der nutzbaren Diversität bei Wiesenschwingel zur Übertragung relevanter Merkmale aus Deutschem Weidelgras

Ergebnisse

Sobald erste Ergebnisse vorliegen, werden diese im Internetauftritt des Konsortiums bekanntgegeben.

Ausblick

Basierend auf den in dem Konsortium gewonnenen Sequenzinformationen können künftig durch Kenntnis der verantwortlichen Genomregionen geeignete Kandidaten effizienter und schneller selektiert werden. Aktuell werden bei IPZ 4b folgende Arbeits- und Zuchtziele bearbeitet:

bei Festulolium: Nachweis des Kreuzungserfolgs, Pathogenresistenz gegen bakterielle Welke (Xanthomonas translucens pv. graminis), Braunrost (Puccinia loliina) und Kronenrost (Puccinia coronata).
bei Lolium perenne: Pathogenresistenz gegen bakterielle Welke, Braun- und Kronenrost sowie Schneeschimmel (Microdochium nivale) und Toleranz gegen abiotischen Stress (Frost und temporären Trockenstress)
bei Festuca pratensis: rasche Jugendentwicklung, Frosttoleranz, Futterqualität sowie Pathogenresistenz gegen bakterielle Welke, Braun- und Kronenrost