Tannen-Seq: Weißtannen Genom-Sequenzierung

Die Technologien zur Sequenzierung von Genomen sind so weit fortgeschritten, dass man auch die sehr großen Genome der Nadelbäume zusammenstellen kann. Für Tannenarten fehlten bisher Genomsequenzen. Ziele des Projektes waren daher die Mitarbeit in einem internationalen Konsortium zur Genomsequenzierung der Weißtanne (Abies alba) als \"Reference Sequence\", weiters die Erhebung von genomischen Daten für zukünftige Forschungsprojekte zu österreichischen Tannen, und schließlich die Bereitstellung dieser Daten auf Hochleistungs-Computern am BFW. Neben der Landwirtschaftskammer Österreich konnten von den Bundesländern als Ko-Finanzierungspartner Oberösterreich, Tirol und Kärnten gewonnen werden. Aus Bayern kam ein weiterer Beitrag, und die Autonome Provinz Bozen/Südtirol finanziert eine Folgestudie. Die Idee zur Sequenzierung wurde im Alpine Forest Genomics Network erarbeitet (AForGeN; https://aforgen.wsl.ch/en.html; Silver Fir Genome Project https://aforgen.wsl.ch/en/silver-fir-genome-project.html). Eine Reihe von Institutionen steuerten Beiträge zur Finanzierung des Vorhabens bei. Ein Baum am Gelände der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL (Schweiz) wurde für die Sequenzierung ausgewählt und am Centre Nacional d'Analisi Genómica CNAG in Barcelona (Spanien) sequenziert und analysiert. Das resultierende Genom-assembly ist öffentlich verfügbar (http://treegenes.org/FTP/Genomes/Abal/ und Mosca et al. 2019). Die Gesamtgröße beträgt 18,17 Gigabasen (Gb) Länge, die auf 37 Millionen scaffolds (Gerüst-Bruchstücke) verteilt sind. Die Hälfte dieser Bruchstücke (N50) ist länger als 14,05 Kilobasen (Kb). Das Genom wurde ausführlich mit anderen Koniferen-Genomen verglichen. Von den Proteinen konnten 39.420 eine Funktion zugewiesen werden. Vor allem die durchschnittliche Länge und die Gesamtlänge der Exons sind sehr gut mit den anderen Koniferen vergleichbar. Der Ansatz in diesem Projekt, mit relativ kleinen Beiträgen zahlreicher Institutionen ein komplexes Genom zu sequenzieren, war sehr erfolgreich. Es kann in Zukunft als Referenz verwendet werden, um Varianten der Gensequenzen in Bäumen aus verschiedenen Klimazonen und Standortsbedingungen zu finden. In einer Bachelorarbeit wurden Verfahren und Protokolle zur Isolierung von messenger RNA (mRNA) aus Nadeln und Samen sowie Keimlingen von österreichischen Weißtannen getestet. Der Haupt-Nährstoff im Samen von Koniferen sind Fette. Deshalb wurden die Fette in österreichischen Tannensamen, und speziell solche, die nur in Nadelbäumen vorkommen (so genannte delta 5 ungesättigte Fettsäuren), in einer Masterarbeit näher untersucht. Die Gene für die Synthese dieser Fettsäuren (delta 5 Desaturasen) sind aus Koniferen noch nicht beschrieben. Es wurde daher versucht, den Gehalt von Samen an dieser Fettsäure in größeren Probenanzahlen festzustellen und im Weißtannengenom die entsprechenden Gene zu finden. Die Fettsäuren wurden identifiziert und quantifiziert. Es bestehen Unterschiede zwischen einzelnen Bäumen und Herkünften. Mögliche Gen-Sequenzen für delta 5 Desaturasen wurden durch Vergleich mit niederen Pflanzen aus Gendatenbanken im Weißtannengenom gefunden. In der Datenbank GymnoPLAZA konnte dazu eine ganze Genfamilie mit Mitgliedern in vielen Koniferen gefunden werden. Teile dieser Gene wurden in den Tannensamen sequenziert. Es wurden einige DNA- und Protein-Sequenzunterschiede gefunden, die möglicherweise mit unterschiedlichen Mengen dieser Fettsäuren in den Samen in Verbindung gebracht werden können. Damit wurde das Potenzial demonstriert, mit der Weißtannen-Referenz-Sequenz funktionelle Unterschiede in Stoffwechselwegen zu finden und damit in Folge mögliche molekulare Anpassungsvorgängen in Waldbäumen aufzuklären.