Ansprechpartner:

Dr. habil. Ingo Schubert, Gaterslebe

 

Den Termin des nächsten AG-Treffens finden Sie unter "Neuigkeiten" im GPZ-Terminkalender! Hier finden Sie auch die aktuellen Programme der Veranstaltungen sowie Informationen zur Anreise, etc..

 

 

Bericht der 8. Vortragstagung der AG mit Besichtigung im Zuchtgarten der SW Seed-Hadmersleben
vom 5./6. Juli 2007 in Gatersleben und Hadmersleben

- 46 Teilnehmer -

 

Organisation: Prof. Dr. I. Schubert, Gatersleben, und Dr. E. Kazman, Hadmersleben

 

Die letzte Tagung der AG 3 fand 2001, also vor 6 Jahren in Kiel statt - eine lange Pause, die die Tatsache widerspiegelt, dass in Deutschland die Cytogenetik in den einschlägigen Universitäts- und Forschungsinstituten im Bereich der Pflanzenzüchtung inzwischen weitestgehend weggespart bzw. von molekulargenetischen Arbeitsgruppen abgelöst wurde. Deshalb sorgte der relativ große Teilnehmerkreis, der der Einladung gefolgt war, bei den Organisatoren durchaus für eine gewisse erste Überraschung. Aber es war natürlich auch in der GPZ bekannt, dass in Gatersleben im Leibniz-Institut für Genetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) nach wie vor international anerkannte Forschung auf cytogenetischem Gebiet betrieben wird.

Dementsprechend galt die erste Gruppe von Vorträgen insbesondere einigen Beispielen aus aktuellen Arbeiten dieser Abteilung des Gaterslebener Instituts – in englischer Sprache, da sich in dieser nicht nur für mehrere Redner, sondern auch einige Tagungsteilnehmer aus dem Ausland die bessere Verständigungmöglichkeit bot:

 

-  Plant centromere maintenance (Inna Lermontova, Gatersleben): Untersucht wurde die DNA-Protein-Struktur des Centromers. Zwischen verschiedenen Arten gibt es in der DNA des Centromers große Unterschiede. Zusätzlich zu den konstitutiven Proteinen werden dem Centromer während der Teilung transiente Proteine (z.B. CENH3) aufgeladen. Deren Struktur und Funktion wurde u.a. durch Vergleich der Arten Arabidopsis thaliana und A. lyrata analysiert.

 

-  Sister chromatid arrangement in plant interphase nuclei (Veit Schubert, Gatersleben): Alle 5 Chromosomen von A. thaliana sind mittels molekularem „multicolour painting“ auch im Interphasekern individuell zu erkennen. Dabei sind die Schwesterchromatiden im diploiden Interphasekern teils weit (bis 5 μm Abstand) voneinander entfernt, während die Centromere stets gepaart vorliegen. In endomitotischen 16 C-Kernen sind jedoch auch die Centromere, wie die Chromosomenarme, voll getrennt.

 

-  Pararetrovirusses in plant genomes (Katja Richert-Pöggeler, Gatersleben): In dem endogenen, induzierbaren Retrovirus-System von Petunia kann die doppelsträngige DNA in die Chromosomen des Wirts, vornehmlich in pericentrische Bereiche eingebaut werden. Infektionen können auch durch Pfropfung gesetzt werden. Sie vermindern die Infektionswahrscheinlichkeit mit anderen (phytopathogenen) Viren.

 

-  Cytogenetic struggling with „invisible“ chromosomes of buckwheat (Robert Hasterok, Katowice, PL.): Buchweizen, der zurzeit wegen seines eiweißreichen, aber kleberfreien Mehls neues Interesse erfährt, besitzt n=8 winzige, symmetrische und gleich lange Chromosomen. Für die Aufstellung eines Trisomensatzes konnten die mikroskopischen Verfahren durch Anpassung der Chromosomenpräparation (u.a. durch drastische Verlängerung der Mazerationsdauer) und -darstellung (u.a. Giemsa, FISH) wesentlich verbessert werden.

 

-  Mechanisms of uniparental chromosome elimination in wide crosses (Andreas Houben, Gatersleben): Interspezifische Kreuzungen zwischen Hordeum vulgare x H. bulbosum und Triticum aestivum x Pennisetum americanum (Perlhirse) werden in der Pflanzenzüchtung seit einigen Jahren erfolgreich zur Herstellung von Doppelhaploiden genutzt. Untersucht wurden die Mechanismen, die zur Elimination des ♂-Chromosomensatzes in den Zellen des Bastardembryos führen. So wurden in Metaphasen mit Immuno-FISH CENH3-negative Tubuline in Nachzüglerchromosomen nachgewiesen. Weitere Untersuchungen galten den Ursachen der höheren Kondensation der Chromosomen in den an der Elimination entscheidend beteiligten Mikronuclei.

 

-  Physical mapping of retrotransposons and transposons in Beta vulgaris (Thomas Schmidt, Dresden): Das Genom der Zuckerrübe enthält eine große Anzahl der verschiedensten Retrotransposons (LTR, SINE, MARINER u.a.), deren chromosomale Lokalisation und anschließende Sequenzierung das Interesse der Dresdener Arbeitsgruppe ist.
Nach der Kaffeepause verlagerte sich das Schwergewicht der Vortragsthemen von der cytologischen mehr zur cytogenetischen Analyse und von Modellpflanzen zu den Kulturpflanzen:

 

-  Translocation of nematode resistance from wild beet into sugarbeet (Gina Capistrano, Kiel): Der interspezifische Transfer von Nematodenresistenz aus Wildrüben in die Zuckerrüben ist seit den frühen 1980er-Jahren ein in der Arbeitsgruppe von Prof. Jung sehr erfolgreich bearbeitetes Thema. Die verschiedenen, unabhängig erfolgten Translokationen tragen die Resistenz alle am Ende von Chromosom 9 (infolge eines Rekombinations-„hot spots“?). Durch molekulare Analysen konnten hier zwei Gene in gewissem Abstand voneinander lokalisiert werden.

 

-  Chromosome painting elucidates karyotype evolution (in Brassicaceae) (Ingo Schubert, Gatersleben): Nach 12jähriger Arbeit gelang dem Autor durch Verwendung einer geeigneten BAC-„library“ erstmalig auch bei Pflanzen ein detailreiches molekulares Chromosomen-„painting“. Damit wurden Untersuchungen zur Karyotyp-Evolution möglich. Vorgestellt wurden die Entstehung des reduzierten A. thaliana-Genoms (n=5) aus 8-chromosomigen Ursprungsarten (A. lyrata, A. rubella u.a.) sowie die Evolution der Brassica-Grundarten mit n=8, 9 oder 10 Chromosomen aus einer hypothetischen n=6 Ausgangsform.

 

-  Ploidy analysis in Brassica with flow cytometry (Franziska Wespel, Göttingen): Im Rahmen der Entwicklung von amphidiploiden Rapsformen durch Resynthese aus diploiden A- bzw. C-Genom-Arten konnte „flow cytometry“ nach der interspezifischen Kreuzung für die Auslese der 4x-Nachkommen ebenso wie bei der in-vitro-Selektion von androgenetischen Doppelhaploiden erfolgreich eingesetzt werden.

 

-  Localization of H. bulbosum-specific chromatin in chromosomes of H. vulgare (O. Schrader, Quedlinburg): In einem “prebreeding”-Projekt wurde mittels FISH in Nachkommenschaften aus H. vulgare (2n) x H. bulbosum (4n) erfolgreich auf möglichst kleine Introgressionen von bulbosum-Segmenten mit Genen für „barley yellow dwarf“-Resistenz selektiert.

 

-  Wheat barley introgression (Marta Molnár-Láng, Martonvásár, H.): Im Weizen wurden neue disome (2H, 3H, 4H, 1HS) und monosome (2H, 3H, 6H, 7H) Additionslinien mit Gersten-Chromosomen in Kreuzungsnachkommenschaften von ‘Martonvásári 9 kr1’ x ‘Igri’ bzw. ‘Asakaze komugi’ x ‘Manas’ in akribischer Arbeit ausgelesen und mittels GISH und FISH mit GAA, pAs1, HvT01, Afa und pTa71 sowie SSR-Markern identifiziert.

 

-  Monosomic analysis of tan spot resistance genes in common wheat (Wuletaw Tadesse und F. Zeller, Freising): Nachdem das bekannte Resistenzgen gegen Teerflecken durch Befall mit Pyrenophora tritici repentes durch Monosomen-Analyse auf 3DS lokalisiert worden war, konnten auch auf den kurzen Schenkeln der homoeologen Chromosomen 3A und 3B weitere wirksame Resistenzgene nachgewiesen werden.
Die bereits nach jedem Vortrag begonnenen Diskussionen wurden am Abend beim geselligen Beisammensein in der Münzenberger Klause in Quedlinburg fortgesetzt.

 

 

-  Wheat cytogenetic stocks – waste or important tool? (Andreas Börner, Gatersleben): 1954 publizierte Sears die erste vollständige Aneuploiden-Serie im Weizen ‘Chinese Spring’ und nutze diese anschließend für die chromosomale Lokalisation zahlreicher morphologischer Marker. Dass solche cytogenetischen Sortimente auch heute noch züchterisch große Bedeutung haben können, belegte der Redner u.a. am Nachweis einer 7D-Introgression von Ae. tauschii mit Septoria-Resistenz.

 

-  Cytogenetische und molekulargenetische Kartierung von 1RS (Tamas Lelley, Tulln, A.): Die 1BL-1RS-Translokation ist seit 1940 weltweit offensichtlich identisch verbreitet. Um in diesem züchterisch besonders interessanten Chromosomensegment neue allelische Variation zu etablieren, wurden 2n Roggenformen, die sich in ihren Secalin-Proteinen unterschieden, mit 6x Weizen gekreuzt. Für die anschließende Auslese der erwünschten 1BL-1RS-Translokation in den 6x-Rückkreuzungs-Nachkommenschaften wurden SSR-Marker entwickelt, indem zunächst mittels „flow sorting“ rd. 4,4 Mio. 1RS-Chromosomen isoliert wurden, aus deren 3,3 μg DNA die Marker für das kritische SAT-Segment über BACs gewonnen werden konnten.

 

-  Die 4B/5R-Translokation – eine Erfolgsstory für die Züchtung? (R. Schlegel/V. Korzun, Gatersleben/Einbeck): Roggen kann durch Chelatbildung wichtige, im Boden festgelegte Mikronährstoffe, wie Cu, Fe, Zn und Mn, pflanzenverfügbar machen. Vor 20 Jahren identifizierte Schlegel für dieses Merkmal im Weizen eine 4BL-5RL-Translokation, die in der Sorte ‘Viking’ des dänischen Züchters Viggo Lund über die CIMMYT weltweite Verbreitung erfuhr. Die Geschichte der globalen Ausbreitung dieser Translokation präsentierte der Redner in einem spannenden Bericht.

 

-  Nutzung von Fremdchromatin in der Weizenzüchtung (Hubert Kempf, Feldkirchen): Viele wichtige Eigenschaften erfolgreicher Weizensorten gehen auf Introgressionen von Fremdchromosomen zurück. Dazu gehören u.a. die 1BL-1RS- und die 1AL-1RS-Translokationen, die wegen ihrer Resistenz und hohen Ertragsfähigkeit trotz geringerer Backqualität noch vor 10 Jahren in rd. 20 % aller Sorten vorkamen; heute sind es nur noch rd. 6 %! Stattdessen nimmt derzeit der Anteil an neuen Sorten mit Cercosporella-Resistenz (Pch1) aus Ae. ventricosa deutlich zu, nachdem diese in 30-jähriger Selektion mit den erforderlichen Erträgen ausgestattet werden konnten. In mehreren Listen zeigte der Redner aus der eigenen Arbeit als praktischer Weizenzüchter zahlreiche Beispiele, in denen Fremdchromosomen wesentliche Sortenmerkmale beisteuern. Dazu gehören für Mehltauresistenz u.a. Triticum marggrafii, Haynaldia, Secale und T. dicoccoides oder für Braunrostresistenz Aegilops umbellulata, Agropyron und Ae. tauschii etc.

 

-  Marker in Brassica napus (Stine Tuveson, Svalöv, S.): Für die SW Seed wurden in Svalöv molekulare Marker entwickelt, mit welchen einerseits die vier verschiedenen Radies-Introgressionen in Brassica-Restorerlinien unterschieden sowie andererseits auch neue Gene für Phoma-Resistenz aus B. juncea ausgelesen werden konnten.
In einer eindrucksvollen Besichtigung in dem 40 ha großen Weizenzuchtgarten der SW Seed demonstrierte Dr. Kazman anschließend Introgressionslinien bei Weizen und Triticale:
1BL.1RS-Translokation am Beispiel der Sorten ‘Tarso’ und ‘Meteor’,
1Al.1RS-Translokation mit (noch) sehr guter Resistenz gegen Mehltau und Braunrost,
3BL.6BL- u. 3BS.3BL-Translokationen in ‘Kontrast’, ‘Alidos’ u. ‘Alcedo’ mit Feldresistenz,
1D(1A)-Substitution in synthetischem-Triticale aus Göttingen,
grannenloser Triticale mit Introgressionen aus dem D-Genome in synthetischem Triticale und
Auftreten von Speltoiden in leistungsfähigen Sorten und Diskussion über die Registerprüfung.

 

Nach diesem Schlusspunkt der Tagung bedurfte es am Ende keiner langen Diskussion, um die Bedeutung cytogenetischer Forschungsarbeiten für pflanzenzüchterische Aufgaben auch in Zukunft noch einmal zu bekräftigen. Dementsprechend wurde verabredet, bis zu nächsten Tagung der AG nicht erst wieder 6 Jahre vergehen zu lassen, sondern zu versuchen, in absehbarer Zeit an geeignetem Ort ein ähnlich interessantes grundlagen- und züchtungsorientiertes Programm zu organisieren. Allerdings dürfte es schwer fallen, dabei auch etwas dem letzten Punkt dieser Tagung Adäquates zu bieten: Hier führte Dr. Walter Merfert, ehem. Hybridweizenzüchter des Instituts für Getreideforschung Bernburg/Hadmersleben, durch das über 600 Jahre alte Kloster Hadmersleben mit seinen aus fast allen Stilepochen erhaltenen Baulichkeiten und dem Museum zur Pflanzenzüchtung, die Ferdinand Heine hier seit 1885 mit weit über die Landesgrenzen bekannten Sortenerfolgen betrieb.                       

(G. Röbbelen, Göttingen)

 

 

Bericht des Treffens vom 1./2. März 2001 in Kiel

- 44 Teilnehmer -

 

7. Arbeitstagung der AG im Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, Universität Kiel

 

Organisation: PD Dr. Thomas Schmidt, Kiel

 

Herr Schmidt begrüßte die anwesenden Cytogenetiker aus 8 verschiedenen Ländern und hob erfreut die Teilnahme von Mitarbeitern aus 4 praktischen Züchtungsunternehmen hervor. Dem schloss sich Prof. Jung als Direktor des gastgebenden Institut an, das erst vor wenigen Tagen aus einem Altbau in die 8. und 9. Etage des Biozentrums der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel umziehen konnte. Die Teilnehmer konnten im Verlauf der Tagung auch selbst einen ersten Blick (über Umzugskartons hinweg) in die modern eingerichteten und gut ausgestatteten neuen Labore werfen und waren besonders beeindruckt von der Einrichtung der 5. Etage des Gebäudes als "Zentrallabor für Biochemie und Molekularbiologie" (ZMB), in welches mehrere einschlägige Institute der Universität ihre Großgeräte zu gemeinsamer Nutzung eingebracht hatten.

 

Das Vortragsprogramm der Tagung umfaßte drei Themenbereiche:

Im 1. Abschnitt wurden 5 Beispiele vorgestellt, die den enormen methodischen Fortschritt bei der Fluoreszenzmarkierung von Chromosomen und Chromosomensegmenten illustrierten, der heute bereits sehr nützliche züchterische Anwendungen vor allem in der genetischen Analyse und Selektion bei interspezifischen Bastarden ermöglicht. So berichtete H. Winter, Berlin, über seine Arbeit an Bastardnachkommen von Raps aus Kreuzungen mit Sinapis arvensis und vor allem mit Coincyya monensis mit einer praktisch hochinteressanten Phoma-Resistenz aus der Fremdspezies, in der er mit genomischer in situ-Hybridisation (GISH) die eingefügten Segmente im Rapsgenom sicher identifizieren und inzwischen auch resistente (teils DH-) Linien mit guter Leistungsfähigkeit selektieren konnte. Anschließend trug O. Schrader, Quedlinburg, über Zwiebel x Porree-Bastarde vor, in denen sich gleichfalls die Chromosomen aus den beiden elterlichen Genomen eindeutig differenzieren ließen. Neben Chromosomenzahlvarianten wurden, z.T. somaclonal bedingte, Karyotypänderungen, wie Deletionen des NOR-Segments auf Chromosom 6, oder verschiedene Telosome und Translokationen eindeutig identifizierbar. Züchterisch sollen die Arbeiten mittels zwiebelspezifischer RAPD-Marker, als ersten Schritt für eine Hybridzüchtung, die Übertragung des CMS-Plasmas der Zwiebel in den Porree erleichtern. Ein Beispiel für die Verbesserung des Auflösungsvermögens der Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung wurde von Frau C. Desel vorgestellt. Diese Arbeiten wurden in Kiel an Beta-Arthybriden durchgeführt.

 

Frau Desel zeigte, wie mit dem FISH-Verfahren züchterisch erwünschte Chromosomensegmente für die Cercospora- (aus Beta corolliflora) bzw. Nematoden-Resistenz (aus Beta procumbens) markiert wurden. Besonders eindrucksvoll war die vergleichende FISH-Analyse des Nematoden-Resistenzgens, in der eine "single copy"-Gensequenz von 684 bp auf einem terminalen Segment eines Beta-Chromosoms sicher nachgewiesen werden konnte. In einer monosomen Additionslinie wurde das Nematoden-Resistenzgen ebenfalls terminal auf dem Wildrübenchromosom detektiert. Die Lokalisierung des Gens in B. procumbens ermöglichte schließlich Rückschlüsse über die Entstehung nematodenresistenter Zuckerrüben. Zunächst vorwiegend der Genomanalyse dienten Untersuchungen von Frau Staginnus, Frankfurt, an der Kichererbse, Cicer arietinum; wie ihre Inventur ergab, enthält dieses Genom zahlreiche 'repeats' als Satelliten und viele Retrotransposons des Typs Ty1-copia- und Ty3-gypsy. Nicht zuletzt konnte R. Snowdon aus Giessen mittels GISH- und FISH-Technik grundlegende Einsichten zur Genom-Evolution in der Gattung Brassica geben und zeigen, wie diese Methode zur Markierung von chromosomalen Introgressionen und Transgenen beim Raps nutzbar ist.

 

Im 2. Themenabschnitt übernahm Prof. J. S. Heslop-Harrison, Leicester, UK, die Diskussionsleitung. T. Schmidt, Kiel, stellte neue Ergebnisse zur Struktur der für die Chromosomensegregation und Aufrechterhaltung der genetischen Information essenziellen Centromere vor. Über die molekulare Struktur dieser Chromosomendomänen ist bei höheren Pflanzen nur sehr wenig bekannt. Ein geeignetes experimentelles System für die Centromer-Untersuchung ist die Beta-Chromosomenmutante PRO1, die im Rahmen der Erstellung nematodenresistenter Zuckerrüben selektiert wurde und ein monosomes Chromosomenfragment aus B. procumbens enthält. Das Centromer dieses Beta-Minichromosoms erstreckt sich über ungefähr 350 kb und besteht überwiegend aus zwei Satelliten-DNA-Familien und hochamplifizierten Ty3-gypsy-Retrotransposons. In vergleichenden FISH-Analysen konnte gezeigt werden, daß der Verlust von Satelliten-DNA zu einer reduzierten Transmission des Minichromosoms in der Meiose führt. Die Histon-Acetylierung während des Zellzyklus untersuchte Frau Z. Jasencakova, Gatersleben, als möglichen Steuerungsmechanismus der Mitose: Die Acetylierung von H4 war bei Vicia faba und Gerste in der mittleren S-Phase im Euchromatin und in der späten S-Phase im Heterochromatin besonders hoch. Mittels poly- und monoclonaler Antikörper analysierte R. ten Hopen, Gatersleben, die Proteine pflanzlicher Centromere und stellte aufschlußeiche Homologien mit animalen sowie Hefe-Kinetochoren fest. Offenbar sind diese Proteine in der Evolution sehr früh entstanden und hochgradig konserviert worden.

 

Für den 3. Teil des Programms, moderiert vom AG-Leiter I. Schubert, Gatersleben, gab J.S. Heslop Harrison den Auftakt mit anschaulichen Beispielen aus seinen cytogenetischen Untersuchungen zur Biodiversität und Genomevolution insbesondere bei Getreidearten. Mit den heute verfügbaren Methoden sind Genomveränderungen auf allen Ebenen, von der (seltenen!) 'single nucleotid'-Mutation über Segment-Duplikationen und -Deletionen bis zu Genom-'rearrangements' und Polyploidie mit eindrucksvoller Sicherheit (in der Hand eines solchen Experten) identifizierbar. Gegenstand aktueller Analyse sind Retroelemente, die in Pflanzengenomen bis zu 50% der DNA ausmachen können; ihnen kommt funktionell und züchterisch besonderes Interesse zu, weil sie offenbar unter Stress aktiviert werden können oder auch (in anderen Fällen) in das Genom integrierte Retroviren darstellen. Über Erfahrungen mit Flow-Cytometrie zur Messung von Genomgrößen bei 9 sehr divergenten Pflanzenarten von A. thaliana mit 0,3 pg DNA über Pisum mit 8,8 pg bis Allium mit 35,5 pg DNA berichtete Frau B. Vilhar, Ljubljana. Einen abschließenden Höhepunkt des Vortragsprogramms bot der Beitrag von M. Lysák aus I. Schuberts Arbeitsgruppe in Gatersleben. In den vergangenen Jahren gelang es verschiedenen Arbeitsgruppen, mit 'chromosome painting' zuerst beim Menschen und dann auch bei anderen Säugern, Vögeln und Insekten einzelne Chromosomen individuell "anzufärben". Aber bei Pflanzen waren, vermutlich wegen des Übermaßes und der Verteilung repetitiver Sequenzen, bisher alle diesbezüglichen Versuche vergeblich gewesen; selbst bei Haplopappus gracilis (2n=4) waren die beiden Chromosomen stets homogen gefärbt. In einem erneuten Versuch machten sich I. Schubert und Mitarbeiter die Vorteile von Arabidopsis thaliana zunutze (wenig repetitive Sequenzen, niedrige Chromosomenzahl, Verfügbarkeit von chromosomenspezifischen BAC-contigs aus dem Genomsequenzierungsprojekt). Zum ersten Male bei Pflanzen gelang ihnen hier ein 'chromosome painting' mit Pachytänchromosomen: Für das subtelocentrische Chromosom 4 konnten für den kurzen und den langen Arm 18 bzw. 113 BACs simultan lokalisiert werden. Durch diese aufwendige Fluoreszenzmarkierung und Hybridisierung ließ sich die Position eines einzelnes Arabidopsis-Chromosoms im Pachytän und Diplotän verfolgen. Der Nachweis war ebenso in der mitotischen Metaphase und sogar in der Interphase möglich, wodurch zukünftig neue und aufschlußreiche Einblicke z.B. in Fragen der funktionellen Bedeutung spezifischer Chromosomenpositionen im Interphase-, d.h. "Arbeits"-kern erwartet werden dürfen.

 

(Th. Schmidt)