Was ist in einem Unkraut? Den genetischen Code von Schädlingen freischalten

Lästige Pflanzen wie Wasserhanf, Pferdekraut, und Cheatgrass haben ihren Weg in Getreide- und Weideland auf der ganzen Welt gefunden. Mit ihrer schnell wachsenden und produktiven Präsenz, Unkräuter lassen die Pflanzen oft hoch und spindeldürr werden, führt zu schlechten Ernteerträgen. Rosskraut, zum Beispiel, hat gezeigt, dass die Sojabohnenerträge um 83 Prozent reduziert werden.

Herbizide können helfen, das Problem zu bekämpfen, Aber eine wachsende Resistenz gegen die Chemikalien macht die Unkrautbekämpfung immer schwieriger.

Ian Heap ist ein Weed-Wissenschaftler, der weedscience.org betreibt. eine Website, die Herbizidresistenzen auf der ganzen Welt verfolgt. Über 400 Wissenschaftler füttern Heap-Daten, mit denen Unkräuter gegen Herbizide immun geworden sind.

„Dem Bauer gehen die Optionen aus, “ sagt Haufen,

Deshalb haben einige Wissenschaftler begonnen, kleiner zu denken. Mikroskopisch, sogar.

Innerhalb der letzten zehn Jahre, Einige Dutzend Wissenschaftler haben sich der Genomik zugewandt, um zu verstehen, warum einige Unkräuter eine Herbizidresistenz entwickelt haben oder invasiver werden.

Innerhalb der letzten zehn Jahre, Einige Dutzend Wissenschaftler haben sich der Genomik zugewandt, um zu verstehen, warum einige Unkräuter eine Herbizidresistenz entwickelt haben oder invasiver werden. Die Zeit der Genomik im Rampenlicht ist hauptsächlich auf die Medienaufregung um das Human Genome Project zurückzuführen. eine massive internationale Anstrengung, die der Entschlüsselung der Geheimnisse der menschlichen DNA gewidmet ist. Aber Pflanzen haben Genome, auch.

Einfach ausgedrückt, ein Genom ist die Blaupause für die Blutlinie eines Organismus – die Merkmale, die von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden. Es ist normalerweise in der DNA kodiert. Mit verschiedenen DNA-Sequenzierungstechniken, einige haben teilweise oder vollständig verschiedene Nutzpflanzen-Unkrautgenome kartiert. Und obwohl das kostspielige Unterfangen keine sofortigen Antworten auf die Probleme bieten kann, mit denen Landwirte auf dem Feld konfrontiert sind, es kann Daten liefern, um auf der ganzen Linie wirksamere Herbizide herzustellen.

Wasserhanf ist ein Unkraut, das Landwirten im Mittleren Westen erhebliche Probleme bereitet. Heimisch in den sumpfigen Gebieten von Illinois und Missouri, der Große, aufrechtes Unkraut mit unscheinbaren Blüten hat in den Soja- und Maisfeldern der Region eine neue Heimat gefunden. Vor zwanzig Jahren, die meisten Menschen in Illinois „hatten noch nie von Wasserhanf gehört, “ sagt Patrick Tranel, ein Unkrautwissenschaftler von der University of Illinois in Urbana-Champaign. "Jetzt, es ist das schlimmste Unkraut.“

Wasserhanf produziert Millionen von Samen und keimt mehrmals in einer Vegetationsperiode. Dies hat ihm eine bemerkenswerte genetische Vielfalt verliehen. Es hat eine schnelle und schlaue Fähigkeit, sich an seine Umgebung anzupassen, und hat sogar eine Resistenz gegen den Wirkstoff – Glyphosat – in Monsantos Herbizid Roundup entwickelt. „Du kannst dein Feld nicht einmal besprühen und das Wasserhanfproblem lösen. Wenn es das nächste Mal regnet, kommt mehr, “, sagt Tranel.

Ein Screenshot von weedscience.org.

Bereits 2009, Tranels Labor sequenzierte das Wasserhanf-Genom nach dem Zufallsprinzip, um nach Genen zu suchen, die an der Herbizidresistenz beteiligt sein könnten – das bedeutet, dass nur Teile des Genoms sequenziert wurden. eher als das Ganze. Die Kartierung des gesamten Genoms war (und ist) zu aufwendig, Aber der Schrotflinten-Ansatz gab genügend Einblick in die genetische Ausstattung von Wasserhanf, um auf spezifische Mutationen zu testen, die die Wirkung von Glyphosat und anderen Herbiziden zunichte machten. Obwohl Tranel das gesamte Genom von Wasserhanf kartieren möchte, ein Mangel an verfügbaren Mitteln und erschwingliche DNA-Sequenzierungstechniken erschweren die Durchführung.

Glyphosatresistenz ist nicht nur auf Wasserhanf beschränkt; Fast 30 Unkrautarten auf der ganzen Welt reagieren nicht mehr auf Roundup. Obwohl nur etwa eine Handvoll Unkräuter den Landwirten ernsthaften Schaden zufügen, zu verstehen, welche Gene für diese evolutionäre Anpassung verantwortlich sind, ist entscheidend für die zukünftige Unkrautbekämpfung.

Neal Stewart hat dies früh erkannt, und als das Glyphosat-resistente Pferdekraut 2002 seinen Weg nach Tennessee fand, sein Interesse war geweckt. Im Jahr 2005, Das Labor des Pflanzenwissenschaftlers an der University of Tennessee begann mit der Codierung des Pferdekrautgenoms. Über die Jahre, Ein Großteil der Finanzierung von Stewart stammt von Monsanto zusammen mit dem US-Landwirtschaftsministerium (USDA) und dem Tennessee Soybean Promotion Board.

Horseweed wird die erste Nutzpflanze sein, deren gesamtes Genom sequenziert wird. Stewart hofft, seine Ergebnisse noch in diesem Jahr veröffentlichen zu können.

Landwirte verwenden Roundup auf Millionen Hektar Ackerland in den Vereinigten Staaten und auf der ganzen Welt. seine Reichweite übertrifft bei weitem alle anderen häufig eingesetzten Herbizide. Obwohl Stewarts Labor die Arbeit vorantreibt, Wissenschaftler überall, einschließlich der bei Monsanto, Zugang zu den genetischen Informationen haben, wenn sie der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.

„Durch die Untersuchung von Resistenzmechanismen hoffen wir, diese Art von Schwächen zum Vorteil der Landwirte zu verstehen. “ sagt Doug Sammons, Chemiker bei Monsanto, der seit zehn Jahren mit Stewart zusammenarbeitet. Die genomischen Informationen zu Pferdekraut werden wahrscheinlich dazu beitragen, die besten Methoden zur Bekämpfung des Unkrauts zu bestimmen, und nicht nur neue Herbizidentdeckungen.

Obwohl die Kartierung von Unkrautgenomen Wissenschaftlern hilft, mehr über Herbizidresistenz zu erfahren, Nicht alle Unkräuter sind gute Kandidaten für die Sequenzierung. Etwas, wie Cheatgras, eine riesige Menge an Genen in seinem Genom haben, macht es einfach zu kostspielig, die aktuelle Technologie abzubilden.

'Mais, Menschen, und Cheatgrass haben alle ungefähr die gleiche Größe des Genoms, “, sagt Craig Coleman, ein Unkrautwissenschaftler an der Brigham Young University. "Also ist es sehr komplex."

"Mais, Menschen, und Cheatgrass haben alle ungefähr die gleiche Größe des Genoms, “ sagt Craig Coleman, ein Unkrautwissenschaftler an der Brigham Young University in Provo, Utah, der das Gras seit über zehn Jahren untersucht. "Also ist es sehr komplex."

Das Weideland-Unkraut wütet vor allem in den westlichen Bundesstaaten wie Idaho, Utah, Nevada, Colorado, Arizona und New Mexico, und ist eine Hauptbrennstoffquelle für Weidelandbrände. Immer noch, Die Sequenzierung des Genoms von Cheatgrass „kam mir nie in den Sinn“, sagt Coleman.

Stattdessen, Coleman und seine Mitarbeiter beim USDA Forest Service haben das Genom eines Pilzes kartiert, den sie „The Black Fingers of Death“ nennen. “ für die schwarzen Fäden des Erregers, die Cheatgrass-Samen verschlingen und zerstören, aber andere Pflanzen nicht beeinflussen. Die genetischen Informationen der Pilze haben den Wissenschaftlern geholfen, bestimmte Gene zu identifizieren, die Samen abtötende Toxine produzieren könnten.

Aber Genomik ist keine Zauberpille. Selbst wenn wir die genetischen Informationen von jedem Unkraut kennen würden, das wir jetzt kennen, es würde das Problem nicht lösen. Von Natur aus anpassungsfähig, neues Unkraut wie Wasserhanf wird auftauchen. Landwirte müssen Ressourcen wie die Website von Heap verwenden, genetische Fortschritte und traditionelle Unkrautbekämpfungstechniken wie Bodenbearbeitung und sogar das Unkrautjäten von Hand, um die Schädlinge zu bekämpfen.

Zur Zeit, Wissenschaftler warten sehnsüchtig auf billigere, verbesserte DNA-Sequenzierungstechnologie, um ihre Projekte voranzutreiben.

„Das USDA ist definitiv an der Weed-Genomik interessiert, “ sagt David Horvath, ein Forschungspflanzenwissenschaftler mit der Organisation. Auf seinem Radar ist Technologie von Pacific Biosystems und Oxford Nanopore Technology, beides Unternehmen, die Technologien herstellen, die die Sequenzierungsarbeit einfacher und genauer machen könnten.

In der Zwischenzeit, Landwirte werden mit den derzeitigen Herbiziden zurückgelassen.

„Unkräuter sind Wildpflanzen, es sind keine Laborpflanzen, “, sagt Horvath. „Es ist einfach schwieriger, mit ihnen zu arbeiten.“

Der Traum? Die Arbeit seines Labors und anderer Wissenschaftler wird Chemieunternehmen helfen, Herbizide zu entwickeln, die auf bestimmte Gene abzielen. vergleichbar mit der Entwicklung von Designer-Medikamenten in der pharmazeutischen Industrie.

„Das ist unsere Hoffnung auf lange Sicht, “, sagt Horvath.

(Bildnachweis:Flickr-Benutzer Robb Hannawacker/CC2.0)