Forscher schließen die Entschlüsselung der Genome von Frantoio und Leccino ab

Ein internationales Forscherteam hat das vollständige Genom der Olivensorten Leccino und Frantoio entschlüsselt.

Die Genomkartierung der beiden in Italien heimischen Sorten, die mittlerweile in Dutzenden von Ländern angebaut werden, ermöglicht es den Forschern, diese miteinander zu vergleichen, und ebnet den Weg für ein tieferes Verständnis der Genetik von Olivenbäumen.

„In Zeiten des Klimawandels bedeutet mehr Wissen über die Genomik von Olivenbäumen, mehr darüber zu wissen, wie diese Bäume auf große und manchmal neue Umweltbelastungen reagieren“, sagte Luca Sebastiani. 

„Die Sequenzierung verschafft uns ein Vokabular, mit dem wir verstehen können, warum sich diese beiden Sorten unterscheiden.“ – Luca Sebastiani, Professor für Gartenbauwissenschaften an der Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa

Der Koordinator der Studie, der auch ordentlicher Professor für Gartenbauwissenschaften an der Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa ist, erklärte gegenüber Olive Oil Times, dass die Genomik zu widerstandsfähigeren Olivenhainen im Mittelmeerraum führen könnte.

„Um uns an den Klimawandel anzupassen, brauchen wir resistente Genotypen sowie geeignete agronomische Techniken“, sagte Sebastiani. „Bei Wassermangel wird Bewässerung not­wen­dig sein, aber auch Sorten, die Wasser effi­zient nut­zen. Es gibt auch Heraus­forderungen im Zusammenhang mit höheren Tem­pe­ra­turen, einer neuen Anfälligkeit für Krankheitserreger und Insektenbefall.“ 

„Die Genkartierung ist eines der Werkzeuge, mit denen wir schneller Lösungen finden können“, fügte er hinzu.

Während die Genbearbeitung bei Olivenbäumen noch in den Kinderschuhen steckt, könnte der Vergleich der Genome der beiden Sorten schneller zu widerstandsfähigeren Bäumen führen als herkömmliche Züchtungsprogramme. 

Sowohl Frantoio als auch Leccino sind in der wissenschaftlichen Literatur gut dokumentiert, ebenso wie ihr Verhalten im Umgang mit Umweltstress.

„Ihre Reaktionen auf Stress, sowohl auf Trockenheit als auch insbesondere auf Salzbelastung, sind sehr interessante Modelle, da Frantoio tolerant ist, während Leccino dies weniger ist“, sagte Sebastiani.

„Wir arbeiten seit Jahren daran, den Mechanismus hinter diesem Unterschied zu erklären, aber ohne Genomdaten war es immer schwierig, vollständig zu verstehen, welche Gene daran beteiligt sein könnten“, fügte er hinzu.

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„Die Sequenzierung verschafft uns ein Vokabular, mit dem wir verstehen können, warum diese beiden Sorten unterschiedlich sind“, merkte Sebastiani an.

Den Forschern zufolge ist die gängige Praxis der Auswahl von Olivensorten durch traditionelle Züchtung zeitaufwändig und führt nicht immer zu den besten Ergebnissen.

In ihrer Veröffentlichung stellten die Forscher fest, dass gemischte Ergebnisse auftreten, da „präzise molekulare Informationen über Genort und -struktur weitgehend fehlen“. Die Wissenschaftler benötigten mehr als zwei Jahre, um die Kartierung abzuschließen. 

„Wir haben es dank der Mittel aus dem italienischen Nationalen Wiederaufbau- und Resilienzplan und dank der Tatsache geschafft, dass wir eine ziemlich große Gruppe sind“, sagte Sebastiani, zu der auch Kollegen von der University of Arizona und der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien gehörten.

In beiden Sorten wurde ein hoher Anteil an Long Terminal Repeats festgestellt, was auf eine erhebliche Ähnlichkeit ihres Genoms hindeutet.

Wiederholte DNA-Sequenzen sind nicht zufällig, da sie durch die Evolution geprägt sind und wichtige Rollen spielen können, beispielsweise bei der Aufrechterhaltung der Stabilität und Integrität des Genoms.

„Wir wissen noch nicht genau, wie die verschiedenen Teile des Genoms miteinander interagieren“, sagte Sebastiani. „Da wir nun über diese Informationen für verschiedene Kultivare verfügen, können wir beginnen, diese Unterschiede zu erkennen, und dies könnte uns helfen, die Art in den kommenden Jahren besser zu verstehen.“ 

Er verglich die Herausforderung, vor der die Forscher bei der Kartierung der Genome der beiden Sorten standen, mit dem Zusammensetzen eines Puzzles, bei dem die Hälfte der Teile einen klaren blauen Himmel darstellen.

„In einem solchen Fall ist das Zusammensetzen der Puzzleteile weitaus komplizierter als bei einem Puzzle, das viele Variationen aufweist“, sagte er. „Dies ist bei Oliven ein Problem, da wir viele Regionen mit hoher Wiederholungsrate haben.“ 

Die Lokalisierung der Position von Genen innerhalb eines Genoms ist grundlegend, um rohe DNA-Sequenzen in praktisches Wissen umzuwandeln, und es hilft Forschern, ein Gen mit einem bestimmten Merkmal zu verknüpfen, wie zum Beispiel Ertrag, Ölzusammensetzung oder Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten. 

Dieses Wissen beschleunigt Züchtungsprogramme und ersetzt langsame, zufällige Selektion durch gezielte Ansätze. 

Die Genposition gibt zudem Aufschluss darüber, wie Gene reguliert werden und miteinander interagieren, und liefert Einblicke in Anpassung und Domestizierung. 

Bei Oliven ermöglichen genaue Karten den Wissenschaftlern, Sorten zu vergleichen, evolutionäre Veränderungen nachzuverfolgen und Präzisionswerkzeuge wie markergestützte Züchtung oder Genbearbeitung zu entwickeln, um widerstandsfähigere und qualitativ hochwertigere Sorten zu züchten.

„Diese hochwertige Kartierung ist nur möglich, wenn man über Techniken verfügt, die sehr große Fragmente sequenzieren, was die Sache einfacher macht“, sagte Sebastiani.

„Im Laufe der Jahre hat sich die Technik enorm weiterentwickelt“, fügte er hinzu. „Heute haben wir PacBio, das die Sequenzierung längerer DNA-Fragmente ermöglicht – etwas, das zuvor nicht möglich war.“

In einem Stresszustand, wie er beispielsweise durch Bodenversalzung oder Trockenheit hervorgerufen wird, sind möglicherweise nur eine Handvoll Gene beteiligt, wobei Unterschiede zwischen den beiden Sorten beobachtet werden.

„Ein kleiner Unterschied in der Genstruktur oder sogar in der Promotorregion, die reguliert, wie stark das Gen funktioniert, kann dazu führen, dass ein Gen gar nicht, weniger aktiv oder aktiver wirkt“, sagte Sebastiani.

Er fügte hinzu, dass es entscheidend sei, diese Unterschiede zu identifizieren und zu verstehen.

„Wenn ich verstehe, dass ein Gen, das an einer bestimmten Art von Stress beteiligt ist, in Frantoio eine Struktur und in Leccino eine andere aufweist und in Frantoio besser und in Leccino schlechter funktioniert, dann kann ich auch Genexpressionsanalyse-Techniken mit RNA-Sequenzierung oder anderen Technologien nutzen, um zu prüfen, ob diese strukturelle Variation die Aktivität beeinflusst“, sagte Sebastiani.

„Wenn ich feststelle, dass dies der Fall ist, steht uns nun auch die Genbearbeitung zur Verfügung“, fügte er hinzu. „Bei Oliven ist diese noch nicht sehr effektiv, aber ich könnte das Leccino-Gen umschreiben, um die Form des Frantoio-Gens nachzuahmen, und diese Information übertragen, damit es anders funktioniert.“

Sebastiani erklärte jedoch, dass die Forschung zur Genbearbeitung bei Olivenbäumen im Vergleich zu anderen Arten noch in einem frühen Versuchsstadium sei. 

„Ich arbeite mit meiner Gruppe auch an Pappeln [der Gattung von 35 Weidenarten]“, sagte Sebastiani. „Bei Pappeln ist das bereits möglich. Bei Olivenbäumen besteht das Problem weiterhin in den Transformationsschwierigkeiten mit diesen Bearbeitungstechniken; es könnte Jahre dauern.“

Obwohl es rasante Fortschritte in der Gen-Editierungstechnologie gegeben hat, räumte Sebastiani ein, dass es unmöglich sei, abzuschätzen, wie lange dies dauern könnte. 

Dennoch geht er davon aus, dass die rasante Entwicklung der Genomik und verwandter Technologien im Vergleich zu früheren Ansätzen in relativ kurzer Zeit Wirkung zeigen könnte.

„Wenn ich heute, selbst unter Einsatz traditioneller Techniken, aber unterstützt durch die Molekularbiologie, Leccino und Frantoio kreuze, um Salztoleranz zu übertragen, müsste ich warten, bis die Pflanze wächst, und sie dann testen. Das dauert sehr lange“, sagte er.

„Wenn ich stattdessen direkt nach der Genstruktur suche, kann ich diese bereits mit Genomik oder anderen Techniken nachverfolgen“, fügte Sebastiani hinzu. „Heute kann ich sogar das gesamte Genom zu reduzierten Kosten sequenzieren, und da ich bereits über das Referenzgenom verfüge, kann ich genau sehen, wo sich dieses Gen befindet und in welcher Position.“

„Ich könnte Leccino nehmen, da ich weiß, dass zwei oder drei Gene die Toleranz erhöhen, und nur diese modifizieren“, merkte er an. „Mit der Genom-Editierung könnte das, wenn alles klappt, in ein oder zwei Jahren im Labor erledigt werden. Das wäre ein großer Schritt nach vorne.“

Genomik und die Kartierung der Olivenbaumgene könnten den Weg für einen neuen Ansatz im Olivenanbau ebnen. 

Während der traditionelle Anbau oft jahrhundertealte Olivenhaine umfasst, könnten neue Haine, die mit genbearbeiteten Olivensorten bepflanzt sind, entscheidend dazu beitragen, die Produktion vor dem Hintergrund eines heißeren und trockeneren Mittelmeerklimas zu sichern.

„Solche neuen Erkenntnisse könnten zu Veränderungen in Bezug auf Produktivität, Innovation und Lösungen für die Erzeuger führen“, sagte Sebastiani. 

Das Forschungsteam wird die neuen genomischen Informationen nutzen, um ein tieferes Verständnis der Unterschiede zwischen den beiden Sorten in ihrer Reaktion auf Salzstress zu erlangen. 

„Wir planen außerdem, wenn möglich, weitere Sorten zu sequenzieren, die uns aufgrund ihrer Reaktionen auf andere Stressfaktoren, einschließlich Schadstoffe, interessieren“, schloss Sebastiani. „Wir werden die Genomik auf jeden Fall nutzen, um die Mechanismen besser zu verstehen.“

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