Wie Computer zum Hacken von Trauben verwendet werden
Es ist ein vertrauter Anblick an Universitäten und Önologieinstitutionen im ganzen Land: Weinrebenreihen, die jahrelange Arbeit darstellen, mit der Hoffnung, die Weinindustrie zum Besseren zu verändern.
Auf den ersten Blick scheint sich die Traubenzüchtung im Laufe der Jahrhunderte nicht wesentlich verändert zu haben. Die Züchter düngen eine Rebe mit dem Pollen einer anderen und hoffen, Nachkommen zu schaffen, die Krankheiten widerstehen und hochwertige Trauben produzieren.
Hinter den Kulissen stützt sich die Traubenzüchtungsforschung jedoch zunehmend auf Computer, die genetische Daten analysieren. Die Hoffnung ist, dass dies die Geschwindigkeit erhöht, mit der neue Rebsorten entwickelt werden, und die Vitalität der Weinindustrie sichert.
'Ich verwende die Analogie von 23andme, wenn ich versuche zu erklären, was wir tun', sagt Dr. Dario Cantu, außerordentlicher Professor für Weinbau und Önologie bei Universität von Kalifornien, Davis. 'Alle diese Unternehmen, die Ihre Herkunft und Ihre Wahrscheinlichkeit angeben, an bestimmten Krankheiten krank zu werden. Ich denke, das tun wir, indem wir ähnliche Tools wie diese Unternehmen verwenden, um Gene in italienischen Trauben schnell zu verstehen.'
Dr. Cantu analysiert mithilfe von Computern das Erbgut von Weinsorten, um die Unterschiede zu verstehen, die für verschiedene Merkmale verantwortlich sind. Die Züchter können dann versuchen, wünschenswerte Merkmale zu kombinieren, um originelle Sorten zu schaffen, die möglicherweise resistenter gegen Krankheiten und Trockenheit sind und neue, einzigartige Aromen anbieten.
Kann die Wissenschaft unsere Lieblingsweine retten? 'Ich bin selbst kein Züchter', sagt Dr. Cantu. „Ich arbeite mit Andy Walker [einem Fakultätsmitglied an der UC-Davis] zusammen. Er ist der Züchter. Wir ergänzen uns in dem Sinne, dass er der traditionelle Züchter ist und ich der Computer-Typ. Deshalb helfe ich ihm, die Genetik einiger Merkmale zu verstehen, an denen er interessiert ist.
„Andy untersucht also natürliche Populationen wilder Trauben auf Krankheitsresistenz - gegen Mehltau usw. - und versucht dann, diese Merkmale in kultivierte Sorten einzuführen. Ich helfe ihm, die genetischen Grundlagen dieser Merkmale zu verstehen. “
Trauben nach altmodischer Art herstellen
Traditionell würde ein Züchter zwei Elternpflanzen mit wünschenswerten Merkmalen oder Phänotypen auswählen. Zum Beispiel kann ein Elternteil große Trauben haben, aber eine schlechte Krankheitstoleranz, während der andere kleinere Trauben haben kann, aber gegen Mehltau resistent ist. In diesem Fall würden die Züchter durch Kreuzung dieser Pflanzen einen Nachwuchs suchen, der die wünschenswerten Eigenschaften großer Beeren und Krankheitsresistenz besitzt.
Sobald der Züchter den Pollen des männlichen Elternteils zur Befruchtung des weiblichen Elternteils verwendet hat, werden die resultierenden Samen gepflanzt. Es wird vier bis sechs Jahre dauern, bis die Pflanzen Früchte tragen und bewertet werden.
Der Fang? Es kann nicht garantiert werden, dass einer der Nachkommen das gewünschte Merkmal erbt. Möglicherweise könnte sich jahrelange Arbeit buchstäblich als erfolglos erweisen.
Dr. Lance Cadle-Davidson (stehend) und Dr. Avi Karn analysieren genetische Daten in großem Maßstab auf günstige Traubenmerkmale
Der Natur ein Upgrade geben
Marker-assistierte Züchtung ist eine Art und Weise, wie Computer in der Traubenforschung eingesetzt werden, ein zentraler Bestandteil der VitisGen2-Projekt . Diese Methode verwendet DNA-Daten, um den Züchtern bei der Auswahl der zu haltenden Traubensämlinge zu helfen. Ziel ist es, Pflanzen mit besser schmeckenden Trauben zu entwickeln, die krankheits- und schädlingsresistenter sind.
'In Zuchtprogrammen für Weinreben haben wir so viele Daten', sagt Dr. Avinash Karn, Postdoktorand für Computational Biology und quantitative Genetik bei Cornell Universität . 'Es gibt genetische Daten, einschließlich DNA-Sequenzierungsdaten und Phänotypdaten. Phänotypdaten können [physische Merkmale wie] Krankheitsresistenz, Fruchtqualität oder Anpassungen wie Kältetoleranz sein. “
Laut Karn ist eine hohe Rechenleistung entscheidend für die Analyse des erstaunlichen Informationsvolumens, das mit einem Programm wie VitisGen2 generiert wird.
Die markergestützte Züchtung soll den Züchtungsprozess rationalisieren. Zunächst sammeln die Forscher Phänotyp- und genetische Daten für bestimmte Weinreben. Die Informationen werden in eine Datenbank gestellt, und Forscher verwenden Werkzeuge, um zu bestimmen, welche genetische Sequenz oder welcher Marker mit einem bestimmten Merkmal assoziiert ist. Indem sie nach diesem Marker in der DNA einer Pflanze suchen, können sie feststellen, ob er die gewünschte Qualität besitzt.
Warum hybride Trauben wichtig sind Karn vergleicht den Vorgang damit, ein Buch zu durchsuchen und nach ein paar Schlüsselwörtern zu suchen, anstatt den gesamten Text zu lesen.
Sobald das gewünschte Merkmal identifiziert wurde, machen die Züchter eine Kreuzung mit herkömmlichen Techniken und pflanzen die resultierenden Samen. Anstatt mehrere Jahre zu warten, bis die Rebe Früchte trägt, können die Züchter innerhalb von Monaten sehen, ob die Reben das gewünschte Gen tragen.
Sobald die Sämlinge einige Monate alt sind, kann das Blattgewebe analysiert werden, um festzustellen, ob die Pflanze einen bestimmten DNA-Marker geerbt hat. In diesem Fall kann der Züchter die Rebe weiter anbauen. Wenn nicht, kann es verworfen werden.
„[Marker-assistierte Auswahl] hilft dem Züchter, Zeit, Geld und Platz zu sparen“, sagt Karn. 'Das ist der große Unterschied zwischen der Verwendung und Analyse all dieser Informationen gegenüber jeder herkömmlichen [Zucht-] Methode.'
Was hält die Zukunft bereit?
Wie wirkt sich die computergestützte Traubenzüchtung auf die Weinkonsumenten aus? Karn sagt, dass Reben, die resistent gegen Krankheiten sind oder besser an ein sich änderndes Klima angepasst sind, sicherstellen, dass die Winzer die Trauben haben, die sie benötigen, um die steigende Nachfrage der Verbraucher zu befriedigen.
„Ich würde sagen, dass die Arbeit, die wir leisten, definitiv den [Trauben-] Züchtern helfen wird, indem wir Zeit und Geld sparen und ihnen helfen, effizientere Entscheidungen zu treffen“, sagt Karn. 'Sie werden in der Lage sein, ein besseres Produkt zu liefern, das dazu beiträgt, Wein von besserer Qualität zu produzieren.'
Die Wahrheit hinter Ihren Lieblingsweinen Dr. Cantu sagt, dass es neben der Entwicklung neuer Rebsorten wichtig ist, das genetische Material bestehender, aber weniger bekannter Sorten zu verstehen.
„Wir reden viel darüber, wie der Klimawandel den Weinbau und die Weinherstellung ruinieren wird, aber wir können die verfügbaren Sorten erkunden“, sagt er. „Es gibt Tausende von ihnen da draußen. Es gibt [einige], die für den Anbau in sehr heißen und trockenen Klimazonen wie Süditalien oder Südspanien angepasst wurden. Sie sind viel besser an die Umgebung angepasst, mit der wir jetzt konfrontiert sind, und vielleicht sogar noch besser an die, mit der wir in Zukunft konfrontiert sind.
„Was wir in unseren Regalen finden, hat unterschiedliche Namen und unterschiedliche Etiketten. Aber es ist vielleicht noch besser als das, was wir gerade haben. “
