Studie mit 206 Riesling-Klonen: Epigenomische Daten erklären jährliche Leistungsschwankungen besser

Forschende, die Rieslingreben untersuchten, haben Hinweise darauf vorgelegt, dass genomische und epigenomische Daten unterschiedliche Aspekte der jährlichen Leistungsschwankungen im Weinberg erfassen können. Die Erkenntnis könnte Züchtern und Winzern künftig dabei helfen, Klone auszuwählen, die unter wechselnden Bedingungen gleichmäßigere Ergebnisse liefern.

Die Arbeit erschien in einem am Freitag, dem 6. November, auf bioRxiv veröffentlichten Preprint und wurde bislang nicht von Fachkollegen begutachtet. Die Studie wurde von Wissenschaftlern der Hochschule Geisenheim University geleitet, gemeinsam mit Forschenden aus Australien und der Universität Hohenheim.

Die Forschenden analysierten 206 Riesling-Klone über neun Vegetationsperioden hinweg und untersuchten Merkmale, die sowohl mit der Produktion als auch mit der Saftqualität zusammenhängen. Im Mittelpunkt stand die Genotyp-Umwelt-Interaktion, ein seit Langem bekanntes Problem bei mehrjährigen Kulturen wie Weinreben. Konkret bedeutet diese Interaktion, dass ein Klon, der in einem Jahr gut abschneidet, im Folgejahr eine andere Rangposition einnehmen kann, weil sich das Wetter und andere Umweltbedingungen ändern.

Das Team nutzte ein Verfahren namens UMR-seq, mit dem sich genomische und epigenomische Profile aus derselben Probenbibliothek erstellen ließen. Die genomischen Daten erfassten Unterschiede in der DNA-Sequenz, darunter SNPs. Die epigenomischen Daten konzentrierten sich auf unmethylierte Regionen – ein Signal der DNA-Methylierung, das Veränderungen der Genregulation widerspiegeln kann, ohne den genetischen Code selbst zu verändern.

Anhand dieser kombinierten Datensätze prüften die Forschenden, in welchem Umfang die einzelnen Informationsebenen Unterschiede zwischen den Klonen sowie Unterschiede in deren Reaktion auf die jeweiligen Jahre erklärten. Dem Preprint zufolge entfielen in statistischen Modellen, die die Genotyp-Umwelt-Interaktion nicht ausdrücklich berücksichtigten, die größten Anteile der Variation der gemessenen Merkmale auf Umwelt- und Restkomponenten; der Haupteffekt der Klone war vergleichsweise gering. In diesem Fall erklärten genomische Verwandtschaftsbeziehungen bei vier der fünf untersuchten Merkmale den größten Teil der Klonvarianz. Eine zusätzliche epigenomische Verwandtschaftsmatrix machte kaum einen Unterschied.

Ein anderes Bild ergab sich, als die Forschenden Interaktionseffekte für einzelne Jahre direkter modellierten. In diesen Analysen entfiel ein erheblicher Anteil der Varianz der Genotyp-Umwelt-Interaktion auf die epigenomische Ebene; bei vier der fünf Merkmale trug sie mehr bei als die genomische Ebene, schrieben die Autoren. Das deutet darauf hin, dass das Epigenom besonders relevant sein könnte, um zu verstehen, warum sich derselbe Klon in verschiedenen Vegetationsperioden unterschiedlich verhält.

Die Studie ergab außerdem, dass die beiden Datenebenen nicht einfach dasselbe auf unterschiedliche Weise maßen. Den Autoren zufolge erfassten genomische und epigenomische Verwandtschaftsbeziehungen unterschiedliche Muster bei den Rangverschiebungen der Klone im Jahresverlauf. Das heißt, jede Ebene zeigte eigene Veränderungen der relativen Leistung, wenn sich die Bedingungen von einer Vegetationsperiode zur nächsten änderten. Als das Team die stärksten geschätzten Effekte genomischen Abschnitten zuordnete, lagen die größten genomischen und epigenomischen Signale tendenziell in unterschiedlichen Regionen. Die Überschneidung war nicht größer, als es durch Zufall zu erwarten gewesen wäre.

Die Ergebnisse zeigen nicht, dass sich eine stabile Leistung im Weinberg allein anhand epigenetischer Marker vorhersagen lässt; auch stellt der Preprint kein direktes Instrument zur Klonenauswahl vor. Dennoch deuten die Resultate auf eine mögliche Verbesserung der Selektion bei klonal vermehrten Kulturen hin: durch die Kombination herkömmlicher genomischer Informationen mit epigenomischen Daten, insbesondere dort, wo die jährlichen Schwankungen eine große Rolle spielen.

Diese Möglichkeit ist nicht nur für die Pflanzenzüchtung von theoretischem Interesse. In der Weinproduktion können saisonale Schwankungen sowohl den Traubenertrag als auch die Zusammensetzung des Mostes beeinflussen – zwei Faktoren, die Angebot und Qualität prägen. Sollte sich in künftigen Arbeiten bestätigen, dass epigenomische Daten dabei helfen, Klone mit gleichmäßigerer Leistung unter wechselnden Bedingungen zu identifizieren, könnten Züchter und Rebschulen solche Informationen eines Tages für die Klonenauswahl in Weinbergen mit instabilen Wetterbedingungen nutzen. Eine solche Anwendung ist bislang allerdings hypothetisch und müsste über diesen Preprint hinaus validiert werden.

Die Arbeit ordnet ihre Ergebnisse in die umfassendere Herausforderung der Züchtung mehrjähriger Kulturen ein. Da Weinreben klonal vermehrt werden und viele Jahre im Weinberg stehen, sind Selektionsentscheidungen kostspielig und lassen sich nur langsam rückgängig machen. Ein Klon, der sich in einem begrenzten Versuch vielversprechend zeigt, muss langfristig nicht dieselben Ergebnisse liefern, wenn seine Leistung stark von den jährlichen Bedingungen abhängt. Zu verstehen, wodurch Stabilität über mehrere Jahre hinweg entsteht, ist daher eine zentrale Frage für den Weinbau und die Rebenzüchtung.

Die Autoren erklärten, ihre Ergebnisse böten eine Grundlage, um die molekularen Ursachen der Genotyp-Umwelt-Interaktion zu untersuchen und zu prüfen, ob genomische und epigenomische Informationen die Auswahl von Klonen für wechselhafte Umgebungen verbessern können. Die Studie klärt nicht, wie beständig epigenomische Signale über längere Zeiträume sind oder wie weit sich die Ergebnisse über den Riesling, einen Standort und die untersuchten Merkmale hinaus verallgemeinern lassen. Offen bleibt auch, ob ähnliche Muster bei anderen Rebsorten oder mehrjährigen Kulturen auftreten.

Dennoch trägt die Arbeit zum wachsenden Interesse daran bei, ob epigenetische Variation landwirtschaftliche Merkmale erklären kann, die sich mit herkömmlichen genetischen Markern nicht vollständig erfassen lassen. Die zentrale Aussage des Preprints lautet hier nicht, dass die Epigenomik die Genomik ersetzt, sondern dass beide offenbar unterschiedliche Aspekte der Leistung beschreiben. Genomische Verwandtschaftsbeziehungen waren bei den meisten Merkmalen aussagekräftiger für die Haupteffekte der Klone, während epigenomische Verwandtschaftsbeziehungen einen großen Teil der jährlichen Interaktionsmuster besser erklärten.

Da die Arbeit noch als Preprint vorliegt, müssen Methoden und Interpretation erst noch im Peer-Review-Verfahren geprüft werden. Gleichwohl ist der Datensatz für eine Studie zu Weinbergklonen ungewöhnlich umfangreich: Er umfasst 206 Riesling-Klone über neun Vegetationsperioden und gibt einen ersten Einblick, wie sich kombinierte genomische und epigenomische Messungen nutzen lassen, um die zeitliche Instabilität der Traubenproduktion zu untersuchen.