Neuherberg, Germany
January 30, 2009
The global climate is changing,
and this change is already impacting food supply and security.
People living in regions already affected by aridity need plants
that can thrive / grow under dry conditions.
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Sorghum bicolor. Photo: United States Department of
Agriculture. |
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| Dr.
Klaus Mayer. Photo: Helmholtz Zentrum München |
One example is sorghum: Also known
as milo, durra, or broomcorn, sorghum is a grass species that
can grow up to five meters in height and is extremely resistant
to aridity and hot conditions. The grass, which originates from
Africa, can thrive under conditions and locations where other
cereal plants cannot survive due to lack of water. In arid-warm
and moderate regions of the Americas, Asia and Europe it is
mainly utilized for food and fodder and is also gaining in
significance as a basis for bio-fuel. The plant also provides
fibers as well as combustible material for heating and cooking.
As part of an international consortium of scientists,
researchers at Helmholtz Zentrum München are analyzing the genes
of sorghum, the first plant of African origin whose genome has
been sequenced.
Dr. Klaus Mayer of the Institute of Bioinformatics and Systems
Biology of the Helmholtz Zentrum
München described the scientists’ research goal: ”We want to
elucidate the functional and structural genomics of sorghum.“ He
went on to explain: ”That is the prerequisite for making this
important grain even more productive through targeted breeding
strategies. As German Research Center for Environmental Health,
sustaining the food supply is one of our most important research
topics. That is why we are trying to learn something about the
molecular basis of the plant’s pronounced drought tolerance in
order to apply this knowledge to other crop plants in our
latitude zone as well. “The first results of the study have been
published in the current issue of Nature.
What makes sorghum interesting as a model system is that it is
more closely related to the predominant grains of tropical
origin, for example maize, than it is to rice. Moreover,
sorghum, unlike many other crop plants, has not undergone genome
enlargement in the past millions of years. Its rather small
genome – about one-fourth as large as the human genome – is a
good starting point for investigating the more complex genomes
of important crop plants such as maize or sugarcane, especially
since sorghum - like these two plants –is a ”C4 plant“.
Due to biochemical and morphological specialization, such plants
use a special kind of photosynthesis (in which first a molecule
with four carbon atoms is formed, thus the name). They can
assimilate carbon at higher temperatures and more efficiently
than ”C3 plants“ and are especially suitable for the production
of biomass for energy. Sorghum is the first cereal plant with C4
photosynthesis whose genome has been completely sequenced. The
analysis of its functional genomics provides new insights into
the molecular differences between C3 and C4 plants.
Furthermore, the comparison with the C3 plant rice - likewise
completely sequenced – gives us information about how these
cereals became more divergent in the course of evolution.The
data of the Munich scientists also allow a comparative analysis
of sorghum, rice and maize. This analysis yields information
about the evolution of the genome size, distribution and
amplification of genes or recombination processes.
Last but not least, the researchers have validated a method in
their study - whole genome shotgun sequencing – which is an
especially fast and inexpensive method of sequencing complete
chromosomes and genomes. In this method, the DNA is copied
multiple times and then shredded into many small fragments by
squeezing the DNA through a pressurized syringe. Finally the
fragments are sequenced from both ends ans subsequentially the
millions of small DNA fragments are assembled by elaborate
computational methods into complete chromosomes.
Read more:
The Sorghum bicolor genome and the diversification of grasses.
Andrew H. Paterson, John E. Bowers, Rémy Bruggmann, Inna
Dubchak, Jane Grimwood, Heidrun Gundlach, Georg Haberer, Uffe
Hellsten, Therese Mitros, Alexander Poliakov, Jeremy Schmutz,
Manuel Spannagl, Haibao Tang, Xiyin Wang, Thomas Wicker, Arvind
K. Bharti, Jarrod Chapman, F. Alex Feltus, Udo Gowik, Igor V.
Grigoriev, Eric Lyons, Christopher A. Maher, Mihaela Martis,
Apurva Narechania, Robert P. Otillar, Bryan W. Penning, Asaf A.
Salamov, Yu Wang, Lifang Zhang, Nicholas C. Carpita, Michael
Freeling, Alan R. Gingle, C. Thomas Hash, Beat Keller, Patricia
Klein, Stephen Kresovich, Maureen C. McCann, Ray Ming, Daniel G.
Peterson, Mehboob-ur-Rahman, Doreen Ware, Peter Westhoff, Klaus
F. X. Mayer, Joachim Messing & Daniel S. Rokhsar:
Nature 457, p551-556; doi:10.1038/nature07723
Vorsorge für den Klimawandel: Forscher
des Helmholtz Zentrums München analysieren das Genom einer
hitze- und dürreresistenten Getreidepflanze
Das Klima wandelt sich. Um die
Ernährung zu sichern, brauchen die Menschen gerade in heute
schon trockenen Regionen Pflanzen, die unter kargen Bedingungen
gedeihen. Zum Beispiel Sorghum: Das im Deutschen Mohrenhirse,
Durra- oder Besenkorn genannte, bis zu fünf Meter hohe Gras ist
äußerst resistent gegen Trockenheit und Hitze.
Die aus Afrika stammende Pflanze behauptet sich auch da, wo
andere Getreidepflanzen verdorren. In trocken-warmen und
gemäßigten Gebieten Amerikas, Asiens und Europas dient sie
zumeist als Nahrungsmittel und Futtergras und gewinnt auch als
Basis von Agrartreibstoff an Bedeutung. Außerdem liefert sie
Fasern und Brennmaterial.
Als Teil eines internationalen Wissenschaftler-Konsortiums
analysieren Forscher des Helmholtz Zentrums München die Gene
dieser ersten Pflanze afrikanischen Ursprungs, deren Genom
sequenziert worden ist.
„Wir wollen die funktionelle und strukturelle Genomik des
Sorghum aufklären“, erklärt Dr. Klaus Mayer vom Institut für
Bioinformatik und Systembiologie des Helmholtz Zentrums München.
„Das ist die Voraussetzung dafür, dieses so wichtige Getreide
mit gezielter Züchtung noch leistungsfähiger zu machen. Als
Deutsches Zentrum für Gesundheit und Umwelt ist die nachhaltige
Sicherung unserer Nahrungsgrundlagen eines unserer wichtigen
Forschungsthemen. Daher versuchen wir, etwas über die
molekularen Grundlagen der ausgepägten Trockentoleranz zu
lernen, um dieses Wissen auch für andere Nutzpflanzen in unseren
Breiten zukünftig zu nutzen.“ Die Fachzeitschrift Nature
veröffentlicht in ihrer aktuellen Ausgabe erste Ergebnisse der
Studie.
Sorghum ist als Modellsystem interessant, weil es näher mit den
Hauptgetreidearten tropischen Ursprungs, zum Beispiel Mais,
verwandt ist als mit Reis. Zudem hat die Mohrenhirse nicht wie
viele andere (Nutz)pflanzen ihr Genom in den vergangenen
Jahrmillionen vergrößert. Ihr recht kleines Genom - rund ein
Viertel so groß wie das menschliche - ist ein guter Ansatzpunkt
zur Erforschung der komplexeren Genome wichtiger Nutzpflanzen
wie Mais oder Zuckerrohr, zumal Sorghum wie diese zu den
„C4-Pflanzen“ zählt.
Solche Pflanzen betreiben dank biochemischer und morphologischer
Spezialisierungen eine besondere Art der Photosynthese, bei der
zunächst ein Molekül mit vier Kohlenstoffatomen entsteht, daher
der Name. So können sie Kohlenstoff gerade bei höheren
Temperaturen effizienter assimilieren als „C3-Pflanzen“ und
eignen sich besonders zur Produktion von Biomasse für die
Energiegewinnung.
Sorghum ist die erste Getreidepflanze mit C4-Photosynthese,
deren Genom vollständig sequenziert vorliegt. Die Analyse seiner
funktionellen Genomik eröffnet neue Einblicke in die molekularen
Unterschiede zwischen „C3“- und „C4“-Pflanzen. Außerdem liefert
der Vergleich mit der ebenfalls sequenzierten C3-Pflanze Reis
Informationen darüber, wie sich diese Getreide im Lauf der
Evolution auseinander entwickelt haben.
Die Daten der Münchner Wissenschaftler erlauben auch die
vergleichende Analyse von Sorghum, Reis und Mais. Sie gibt
Aufschluss etwa über die Evolution der Genomgröße, Verteilung
und Vervielfältigung der Gene oder Rekombinationsvorgänge. Nicht
zuletzt haben die Forscher in ihrer Studie eine Methode
validiert: Das „Whole-genome-shotgun-sequencing“, ein besonders
schneller und kostengünstiger Weg zur Sequenzierung
vollständiger Chromosomen und Genome. Dabei kopiert man die DNA
zunächst mehrfach und zerschlägt diese Kopien dann wie mit einem
Schrotschuss in viele kleine Fragmente, die anschließend jeweils
von beiden Enden her sequenziert werden. |
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