Ein Team von US-Forschern hat eine erste vollständige Version der Genomsequenz von Maniok (Manihot esculenta) erstellt. Das Projekt ist ein wichtiger Schritt zur Beschleunigung der Forschungsarbeiten an dieser für die Sicherheit der globalen Nahrungsmittelversorgung extrem wichtigen Pflanze und damit zur Lösung einiger Probleme, mit denen Maniokbauern auf der ganzen Welt zu kämpfen haben. Die Bill & Melinda Gates Foundation unterstützt die nächste Phase des Forschungsprojektes mit 1,3 Mio. US-$.

Hintergrund
Die Maniok-Pflanze, auch Manioka, Brotwurzel oder Kassave genannt, ist ein Wolfsmilchgewächs des tropischen Regenwaldes und wird dort oft für den Eigenbedarf angebaut. Die bis zu drei Meter hohen Pflanzen haben eine buschige Wuchsform und tragen grünlich-gelbe Blüten. Die Wurzelknollen der Maniok- Pflanze dienen mehr als 750 Mio. Menschen als tägliche Hauptnahrungsquelle. Die Pflanze hat eine Reihe von Nachteilen: Ihr Nährwert ist gering, und sie ist anfällig für viele Krankheitserreger, besonders in Afrika, wo ein Drittel der Ernte des Kontinents jedes Jahr durch Viruskrankheiten verlorengeht. Eine dieser Krankheiten, die Braunstreifenkrankheit des Manioks (cassava brown streak disease, CBSD), stellt in einigen Teilen Ostafrikas die größte Bedrohung der Sicherheit der Nahrungsmittelversorgung dar.

Als Antwort auf diese Bedrohung, und aufbauend auf der jetzt erhältlichen Genomsequenz des Manioks, unterstützt die Bill & Melinda Gates Foundation Forscher der Universität von Arizona mit einem 1,3-Mio.-$-Förderprogramm. Die Forscher werden ein internationales Konsortium leiten, das eine Datenbank mit Genomvarianten des Manioks aufbauen soll. Diese Datenbank wird molekularbiologische Hilfsmittel zur Zucht von besseren Manioksorten liefern, unter besonderer Berücksichtigung einer erhöhten Resistenz gegenüber dem CBSD-Virus. Dr. Steve Rounsley, Associate Professor an der School of Plant Sciences der Universität von Arizona und Mitglied des BIO5-Instituts, wird das Projekt koordinieren. Partner sind Wissenschaftler des Institute for Genome Sciences der Universität von Maryland in Baltimore, des Joint Genome Institute des US-Energieministeriums (DOE JGI) und 454 Life Sciences, eine Tochterfirma von Roche.

Das Förderprogramm ist Teil der Agricultural Development Initiative der Stiftung, die mit einer Vielzahl unterschiedlicher Partner zusammenarbeitet, um Millionen von Kleinbauern in Entwicklungsländern dabei zu helfen, ihre Ernteerträge zu verbessern, ihr Einkommen zu erhöhen und sich und ihren Familien ein besseres Leben zu ermöglichen.

Das Ziel der Stiftung ist die Stärkung der gesamten landwirtschaftlichen Wertschöpfungskette - von Saatgut und Boden über Betriebsführung bis zum Marktzugang -, um nachhaltigen Fortschritt beim Kampf gegen Hunger und Armut zu erreichen.

Methoden
Kernstück bei der schnellen Erstellung der ersten Genomsequenz war die Genome Sequencer FLX Plattform mit dem GS FLX Titanium System für lange Leseweiten. Der Großteil der Daten für das Genom wurde innerhalb der ersten 8 Wochen nach Einsatz des GS generiert.

Die Leseweite ist einer der wichtigsten Schlüsselfaktoren bei der Hochdurchsatz-Sequenzierung. Allgemein gilt, je größer die Sequenzlänge, desto mehr Anwendungen sind möglich und desto höher ist zumeist die Qualität der Daten insgesamt. Je größer die Leseweite, desto weniger Lücken verbleiben in Konsensus-Sequenzen von Sequenzierungsprojekten ganzer Genome, desto genauer lässt sich die Zahl hochvariabler Allele bestimmen, desto mehr Informationen über Haplotypen werden gewonnen, desto genauer wird die Analyse „großer Veränderungen" wie Deletionen während der Resequenzierung, desto genauer wird die Zuordnung möglicher Funktionen zu Abschnitten, die aus dem Transkriptom isoliert wurden, usw.
Die typische Single-Read-Genauigkeit des Genome Sequencer FLX Systems liegt bei > 99,5% über die ersten 200 Basen. Substitutionsfehler sind außerordentlich selten (etwa 10^-6). Somit bietet das Genome Sequencer FLX System Hochdurchsatz-Sequenzierung mit Single-Read-Genauigkeiten, die gleichwertig und teilweise sogar besser sind als bei der traditionellen Sanger-Sequenzierung.

Ausblick

Durch die Verfügbarkeit der Genomsequenz kann jetzt im neu geförderten Projekt untersucht werden, worin sich verschiedene Manioksorten unterscheiden. Die Forscher werden mit Next-Generation-Technologien viele Manioksorten untersuchen und eine umfangreiche Datenbank mit Markern erstellen, die dann zur Identifizierung von Genen, die mit wichtigen Eigenschaften in Zusammenhang stehen, verwendet werden kann. Das Team wird mit Forschern in Kenia, Uganda und Tansania zusammenarbeiten, um mithilfe dieser genetischen Marker Resistenzeigenschaften gegen die Braunstreifenkrankheit des Manioks zu finden. Alle erzeugten Daten und Hilfsmittel des Projektes werden weltweit frei zugänglich sein.
Die Zucht besserer Manioksorten mit traditionellen Mitteln ist langsam und schwierig. Durch die in Zukunft zur Verfügung stehende große Zahl von Markern können die Zuchtstrategien effizienter werden. Beispielsweise können Merkmale, die erst in ausgewachsenen Pflanzen auftreten, mit einem billigen DNA-Test bereits in Keimlingen identifiziert werden. Da Maniok auch zur Produktion von Industriestärke verwendet wird und zudem als Rohstoff für die Biospritproduktion eingesetzt werden kann, ergeben sich für diese Zuchthilfsmittel weitere kommerzielle Anwendungsfelder. Die wichtigsten Anwendungen werden aber jene sein, die zur Verbesserung der Lebensqualität derjenigen beitragen, die auf Maniok als tägliche Kalorienquelle angewiesen sind.
Die annotierte erste Version der Genomsequenz finden Sie im Internet auf den Phytozome-Webseiten des DOE JGI: www.phytozome.net/cassava.