Geheimnis der Ackerbohne gelüftet

Die Ackerbohne weist mit ihren proteinreichen Samen ein hohes Potential für die Proteinerzeugung in den gemässigten Klimazonen Mitteleuropas auf. Die Dürre und Hitze empfindliche Pflanze verfügt über eines der grössten Chromomen der Welt. Nun haben Forscher neue Ansatzpunkte für die Anpassung der Ackerbohne an den Klimawandel gefunden.

Als insektenfreundliche Leguminose mit geringem Düngungsbedarf trägt die Ackerbohne zur Erhöhung der Nachhaltigkeit und Biodiversität in der Landwirtschaft bei. Sie gilt jedoch als besonders empfindlich für Dürre und Hitze, die infolge des Klimawandels der europäischen Landwirtschaft zunehmend zusetzen.

Sequenzierung des Genoms galt als unmöglich

In dieser Hinsicht konnten bei der Ackerbohne, im Vergleich zu bedeutenderen Kulturpflanzen wie Mais, Weizen oder Raps, in den vergangenen Jahrzehnten nur geringe Zuchtfortschritte verzeichnet werden. Das lag unter anderem auch daran, dass es an Voraussetzungen und Ressourcen für den Einsatz moderner Züchtungsmethoden fehlte.

Ein grosses Hindernis stellte gemäss den Forschern der Justus-Liebig-Universität Giessen (D) dabei das enorme Genom der Ackerbohne dar. Zwar besteht dies aus nur sechs Chromosomenpaaren – im Vergleich besitzen Menschen, mit 23 Paaren, fast die vierfache Chromosomenzahl. Jedoch besitzt allein nur eins der sechs Ackerbohnenchromosomen, mit fast 4 Milliarden Basenpaaren, mehr DNA als das gesamte Humangenom, womit es zu den grössten bekannten Chromosomen überhaupt zählt. Die vollständige Sequenzierung des Ackerbohnengenoms galt daher lange Zeit als nahezu unmöglich.

Entscheidende Gene aufgedeckt

Mit Hilfe neuester DNA-Sequenzierungstechnologien ist es nun aber einem internationalen Forschungskonsortium gelungen, das Genom zu Entschlüsseln. Ein Konsortium, unter Anleitung dänischer und deutscher Pflanzengenetikerinnen, hat darüber kürzlich in der Fachzeitschrift «Nature» berichtet. Einen wesentlichen Beitrag daran hatte die Agrarbioinformatikerin Agnieszka Golicz von der Universität Giessen (JLU).

Ihr ist es gelungen, das vollständig Genom der modernen Ackerbohnensorte «Tiffany» aus langen Sequenzstücken zusammen zu stückeln und mit dem Genom einer älteren Sorte, das parallel sequenziert wurde, im Detail zu vergleichen. Mit Hilfe dieses Vergleichs konnte das Konsortium unter anderem auch entscheidende Gene aufdecken, die für wichtige Merkmale wie Samengrösse und Inhaltsstoffe kodieren.

Neben der enormen Grösse zeichnete sich das Ackerbohnengenom auch durch einige überraschenden Eigenschaften aus. Insbesondere wurde eine rasante, fortschreitende Ausbreitung so genannter Transposons festgestellt. Diese kurzen Sequenzelemente – auch bekannt als «springende Gene» – verursachen offensichtlich unerwartet oft Verdopplungen oder das Löschen von Ackerbohnengenen. Da Genkopien und fehlende Gene häufig neue Diversität für die evolutionäre Anpassung verursachen – etwa an Klimaänderungen – können sie auch züchterisch sehr relevant sein.

Ackerbohne zielgerichtet züchten

Das freut Rod Snowdon, Professor für Pflanzenzüchtung an der JLU: «Die Ackerbohnenzüchtung war bislang besonders langwierig und schwer, weil Genomressourcen und -daten für die gezielte Selektion mit modernen Methoden nicht zur Verfügung standen. Mit der Bereitstellung des Genoms sind wir nun in der Lage, Ackerbohnen für die Herausforderungen des Klimawandels zielgerichteter zu züchten und den Anbau als wertvolle, heimische Pflanzenproteinquelle in Zukunft zu sichern».

In einem neuen Forschungsvorhaben zielt Agnieszka Golicz nun auf die Entschlüsselung der Genome von vielen weiteren Ackerbohnensorten, um die speziesweite Diversität zu erfassen. Im neuen Internationalen Graduiertenkolleg «Beschleunigung des Zuchtfortschrittes», das 2023 an der JLU in Zusammenarbeit mit der Universität Queensland (Australien) startet, steht die Ackerbohne als Beispielpflanze mit erheblichem Züchtungsbedarf ebenfalls im Mittelpunkt. «Vor wenigen Jahren, bei fehlenden Genominformation, fast undenkbar», schreibt die Uni Giessen.