Sequenzierungen zu Identifikation von SARS-CoV-2 Virusmutationen sind für die Gesellschaft aktuell ein wichtiges Thema und sollen helfen, die Gefahr und Verbreitung des veränderten genetischen Codes des Virus zu verstehen. Bei natürlich auftretenden Mutationen des Virus-Genoms kann es z.B. zu höherer Infektiosität kommen. Am IBG-4 gehören Sequenzierungen und die nachfolgenden Analysen zum täglichen Handwerkszeug. Dabei wird das aktuell so wichtige Sequenzieren der SARS-CoV-2 Virusmutationen aber den Kollegen in der Medizin überlassen. Das Hauptinteresse unseres Institutsbereichs liegt in der Sequenzanalyse von Pflanzengenomen und der Einordnung der Sequenzen zu Funktionen und dem Zuordnen der entsprechenden Eigenschaften, die verschiedenen Pflanzen haben. So können dann die Sequenzen und die Kenntnis über sie vielfältig die Bioökonomie unterstützen.

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Das europäische Projekt „BreedingValue“ ist offiziell zu Beginn dieses Jahres gestartet.

Die meisten Menschen mögen sie: Erdbeeren, Himbeeren und Blaubeeren sind beliebte Früchte. Mit einem hohen Anteil an gesundheitsfördernden anti-oxidativen Pflanzeninhaltsstoffen, Vitaminen und Mineralien sind sie außerdem sehr gesund. Aber aus der Sicht der Produzenten und Züchter kann und muss man Erdbeer- Himbeer- und Blaubeersorten trotzdem noch verbessern, damit sie sich besser an den drohenden Klimawandel anpassen und besser und nachhaltiger angebaut werden können. Auch aus Sicht der Verbraucher sollen die Früchte gerne noch besser schmecken und besser haltbar sein. Deshalb kooperieren 20 Partner aus acht verschiedenen Ländern im EU-geförderten Projekt BreedingValue um Erdbeeren, Blaubeeren und Himbeeren zu verbessern.

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Mit immer schnelleren und hochauflösenden Techniken und immer besseren Computern und intelligenteren Analyseansätzen werden auch in der Pflanzenforschung große Mengen an umfangreichen wissenschaftlichen Datensätzen erzeugt. Das ist ein toller Fortschritt, mit hohem Nutzen für die Wissenschaft und die Gesellschaft! Dies führt jedoch zu einer Vielzahl an Daten aus den verschiedensten Bereichen, die mit den unterschiedlichsten Techniken gewonnen werden, bei denen man am Ende doch auch den Überblick verlieren kann. Mit den großen, komplexen Datensätzen der heutigen Wissenschaft wird es zudem immer schwieriger, Zusammenhänge herzustellen und zu erkennen und die Ergebnisse zu deuten. Deshalb wird unter Beteiligung vieler Wissenschaftler für den Bereich der Pflanzenforschung eine gemeinsame Dateninfrastruktur entwickelt. Hier sollen Daten gesammelt, überprüft, angepasst und über eingebaute Methoden verständlich sichtbar gemacht werden. Diese Dateninfrastruktur soll für alle zugänglich und nutzbar sein. Der Institutsbereich Bioinformatik (IBG-4) ist an dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) geförderten Konsortium DataPLANT beteiligt, das am 01.Oktober 2020 offiziell mit seinen Arbeiten beginnen wird.

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Marine Naturstoffe weisen im Vergleich zu Naturstoffen aus terrestrischen Systemen oft eine größere Anzahl an halogenierten Verbindungen auf. Halogene sind u.a. die Elemente Fluor, Chlor, Brom und Iod. Diese werden oft an pharmazeutische Moleküle angehängt, um deren Bio-Aktivität und Wirkung zu verbessern. Dabei ist es wichtig, dass die Halogene gezielt an die richtige Stelle der Moleküle gekoppelt werden. Das kann man sehr gut mit Enzymen sicherstellen, die Moleküle und Halogene kontrolliert binden und zusammenführen. Deshalb untersucht das BioSC-Seed-Fund Projekt HaloEnz unter anderem den Lappentang (Palmaria palmata), den Knotentang (Ascophyllum nodosum) und auch den Meersalat (Ulva lactuca/Ulva australis) um Enzyme zu finden, die die Halogenierung von Molekülen ermöglichen. Auch einzellige Algen wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. Usadel sequenziert, um Enzyme zu untersuchen.

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Die in Landwirtschaft und Gartenbau genutzten Pflanzen sind auf einen hohen Ertrag gezüchtet. Oft ist dabei weniger auf eine Stresstoleranz geachtet worden, die in vielen geführten Anbausystemen (Gewächshaus, bewässerte und bewirtschafte Felder) nicht vorrangig war. Im anstehenden Klimawandel werden aber Stresstoleranzen z. B. gegen Hitze und Trockenheit in der Landwirtschaft und im Gartenbau immer wichtiger. Wild wachsende Sorten oder Ursprungssorten der heutigen Nutzpflanzen, weisen oft höhere Stresstoleranzen als die aktuellen Nutzpflanzen auf. In solchen wilden oder alten Sorten liegt oft eine höhere genetische Vielfalt vor, die genutzt werden kann, um z.B. Stresstoleranzen oder auch eine größere Vielfalt oder Menge an z.B. gesundheitsfördernden Pflanzeninhaltsstoffe zu finden. Oft können die Erkenntnisse dann auf derzeit genutzte Pflanzensorten übertragen werden. Die Erforschung solcher Wildsorten stellt somit eine wichtige Grundlage für eine Züchtung von verbesserten Nutzpflanzen dar.

Zwei aktuelle internationale Forschungsprojekte am IBG-4 beschäftigen sich mit dieser Fragestellung. Dabei wird die genetische Information der Vorfahren mit denen der heutigen Nutzpflanzen verglichen und Sequenzinformationen in Zusammenhang mit bekannten Funktionen und/oder besonderen Eigenschaften oder Standortbedingungen der Linien gebracht. So können den Genen oder Abschnitten der genetischen Sequenzen Funktionen zugeordnet werden, die helfen, Nutzpflanzen züchterisch zu verbessern. Hier hatte das IBG-4 bereits vor einiger Zeit die wilde Tomate Solanum pennellii erforscht (https://www.nature.com/articles/ng.3046 und http://www.plantcell.org/content/29/10/2336) und gezeigt, dass dort Transposons oder „springende Gene“ eine Rolle bei der Stresstoleranz spielen. Derzeit arbeitet das IBG-4 in einem internationalen Konsortium an Solanum lycopersicoides (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.04.16.039636v1.full).

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Eine bioökonomische Nutzung von Pflanzen und anderen Organismen zur Produktion von nachhaltigen Ressourcen wird durch die genetischen Grundlagen der Organismen beeinflusst. Die Erzeugung von Daten über Genome und auch von Daten zu der aktiven Ausprägung des Genoms (seiner „Expression“) ist deshalb wichtig, um die dahinterliegenden Prozesse zu verstehen und zu verbessern oder an den Bedarf der bioökonomischen Nutzung anzupassen wie z. B. in der Züchtung oder Auswahl von geeigneten Nutzpflanzen. Komplexe Daten, die bei Untersuchungen von Genomen und seiner Ausprägung entstehen, müssen in Datenbanken und durch Visualisierungen verwaltet, verknüpft und interpretierbar gemacht werden. Das alles leistet die Bioinformatik mit verschiedenen Techniken, Algorithmen und Programmen, am IBG-4 zum Beispiel in der Forschung zur Nutzung von Pflanzen zur Gewinnung speziellen industriell interessanten Pflanzeninhaltsstoffen in dem Projekt TaReCa.

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