Fortschritte bei Weizen für Zöliakie

Zöliakie (CeD) ist eine Erkrankung, die etwa 1 % der Menschen weltweit betrifft. Sie verursacht Entzündungen im Dünndarm, wenn Leute mit einer genetischen Veranlagung Weizengluten und ähnliche Proteine konsumieren. Momentan ist die einzige effektive Behandlung für CeD eine komplett glutenfreie Ernährung. Aber selbst die, die sich an eine glutenfreie Diät halten, können immer noch gesundheitliche Probleme haben, weil sie Nährstoffe verlieren, ihre Darmbakterien sich verändern, sie sich sozial isoliert fühlen und die Lebenshaltungskosten steigen.

Gluten ist eine Art Protein, das in Weizen vorkommt und Brot und Pasta ihre besondere Textur verleiht. Es besteht aus zwei Hauptgruppen von Proteinen: Gluteninen und Gliadinen. Gluteninen verbinden sich durch spezielle Bindungen und bilden ein starkes Netzwerk, während Gliadine normalerweise schwächer mit Gluteninen verbunden sind. Viele dieser Proteine enthalten auch spezifische Aminosäuresequenzen, die bei Menschen mit CeD eine Immunreaktion auslösen können. Diese Immunreaktion kann zu Schäden an der Darmschleimhaut führen.

Bestimmte Proteinsequenzen, die starke Immunreaktionen bei Menschen mit CeD hervorrufen, sind als immundominante Epitopes bekannt. Diese Epitopes finden sich in verschiedenen Gliadin-Proteinen. Studien haben gezeigt, dass die Menge an Gluten, die von Kindern konsumiert wird, besonders bei Zwillingen, mit der Entwicklung von CeD zusammenhängt. Ausserdem haben Menschen mit einem bestimmten Gen (HLA-DQ8) ein geringeres Risiko, CeD zu entwickeln, als Personen mit dem HLA-DQ2-Gen.

Forschungen deuten darauf hin, dass die Reduzierung der schädlichen Glutenproteine im Weizen helfen könnte, die Wahrscheinlichkeit zu senken, dass Menschen CeD entwickeln. Allerdings ist es schwierig, alle schädlichen Glutenproteine zu entfernen, da es über 40 bekannte Proteine im Weizen gibt, die die Krankheit auslösen können. Proteine zu entfernen, die die Qualität des Brotbackens nicht stark beeinflussen, könnte ein guter Ansatz sein.

Ein Ziel der Entfernung schädlicher Glutenproteine ist eine spezielle Art von Gliadin, die α-Gliadine genannt wird und einen grossen Teil der Gliadine im Weizen ausmacht. Diese Proteine wirken sich normalerweise nicht stark auf die Stärke des Glutens aus. Allerdings zeigen Studien gemischte Ergebnisse, wie sich die Entfernung dieser Proteine auf die Qualität des Brotbackens auswirkt.

α-Gliadine enthalten viele bekannte immunogene Peptide, einschliesslich solcher, die zu starken Immunreaktionen bei CeD führen. Forscher verwendeten Gammastrahlung, um Weizensorten mit Löschungen in den Genen zu schaffen, die α-Gliadine produzieren. Diese Löschungen wurden Δgli-A2, Δgli-B2 und Δgli-D2 genannt. Das Ziel war es, zu untersuchen, wie sich diese Löschungen auf Erträge, Proteingehalt und die Qualität des aus diesem Weizen gebackenen Brotes auswirkten.

#Pflanzenmaterialien und Methodik

In der Forschung wurde eine spezielle Weizensorte (RIL143) durch Kreuzung verschiedener Sorten und Bestrahlung entwickelt. Diese Linie enthält ein Gen, das Resistenz gegen eine Krankheit namens Streifenrost bietet. Die Strahlungsbehandlung führte zu vielen Nachkommenpflanzen, von denen einige für weitergehende Studien ausgewählt wurden.

Um bestimmte Gene genauer zu betrachten, wurde eine Haplotypanalyse durchgeführt. Diese Analyse verglich die Gene der Weizensorten, um die besten Übereinstimmungen zu finden. Ziel war es, die besten Referenzen für die Gene zu finden, die für die Produktion von α-Gliadinen verantwortlich sind. Diese Vergleiche zeigten verschiedene Arten von genetischen Variationen innerhalb der analysierten Weizenlinien.

Als nächstes suchten die Forscher nach Löschungen in den α-Gliadin-Gen-Clustern auf drei Weizenchromosomen. Pflanzen, die keine spezifischen Proteinmarker zeigten, wurden für weitere Analysen ausgewählt. Diese Löschungen wurden dann mit einer Methode namens SDS-PAGE analysiert, um das Fehlen der gezielten Proteine zu bestätigen.

#Feldversuche und Wachstumsbedingungen

Die ausgewählten Reislinien mit Löschungen wurden in einer kontrollierten Umgebung über zwei Wachstumsjahre getestet. Die Versuche wurden so eingerichtet, dass der Weizen mit Löschungen mit der ursprünglichen Sorte verglichen wurde. Bedingungen wie Pflanzdichte und Bewässerung wurden während der Wachstumsperiode sorgfältig verwaltet.

Daten wurden während der Versuche gesammelt, wobei verschiedene Parameter wie Ertrag, Proteingehalt und Testgewicht im Fokus standen. Insgesamt zeigten die Linien mit Löschungen in den meisten dieser Eigenschaften keine signifikanten Unterschiede zur ursprünglichen Weizensorte. Eine Ausnahme war, dass die Δgli-A2-Löschlinie einen etwas geringeren Ertrag hatte.

Die Forscher haben auch die Δgli-D2-Löschung in eine ertragreiche kommerzielle Weizensorte eingeführt, um zu sehen, ob sich die Qualität verbessert, während die Produktionsniveaus erhalten bleiben.

#Bewertung der Brotbackqualität

Die Auswirkungen der Löschungen auf die Brotqualität wurden ebenfalls bewertet. Im Gegensatz zu den Ertragsresultaten hatten die Löschungen signifikante positive Auswirkungen auf die Qualität des Brotbackens. Besonders die Δgli-D2-Linie zeigte Verbesserungen in der Glutenstärke und verschiedenen Qualitätsmessungen wie Mischzeit und Wasseraufnahme.

Im Gegensatz dazu hatten die Löschungen Δgli-A2 und Δgli-B2 kleinere Effekte. Die kombinierte Löschung Δgli-A2 Δgli-D2 zeigte sogar noch grössere Vorteile in den Brotqualitätsmessungen. Backtests bestätigten, dass Weizen mit diesen Löschungen besseres Brot produzierte als die ursprüngliche Sorte.

#Proteinanalysen

Um die Auswirkungen der Löschungen auf die Proteinzusammensetzung zu verstehen, extrahierten die Forscher Proteine aus den Weizenkörnern. Sie verwendeten eine Methode, die Alkohol und anschliessendes Waschen umfasst, um spezifische Proteine zu isolieren, und analysierten diese dann auf Unterschiede in Struktur und Zusammensetzung.

Die Ergebnisse bestätigten, dass bestimmte Proteine, insbesondere solche mit sieben Cysteinresten, häufiger in Gluten eingearbeitet wurden. Diese spezifischen Proteine waren mit stärkeren Gluten-Eigenschaften verbunden, was mit der verbesserten Brotqualität früher übereinstimmt.

#Genetische Variabilität der Gliadinproteine

Neben ihren Qualitätsvorteilen wurden auch die Variationen in den Gliadinproteinspiegeln untersucht. Es wurde festgestellt, dass verschiedene Weizensorten häufige Variationen in der Anzahl der α-Gliadine zeigten, was die Komplexität dieser Proteine als Teil einer grösseren Genfamilie widerspiegelt. Die Studie hob auch hervor, wie Variationen in diesen Proteinspiegeln die Gesamtqualität des Weizens und des daraus hergestellten Brotes beeinflussen können.

#Reduzierung der Immunogenität

Die Reduzierung der immunogenen Eigenschaften von Weizen ist ein wichtiges Ziel, um Menschen mit Zöliakie zu helfen. Schädliche Proteine aus Weizen zu entfernen, könnte potenziell die Häufigkeit von CeD in der allgemeinen Bevölkerung senken. Eine Strategie besteht darin, Proteine zu zielen, die bekannt dafür sind, starke Immunreaktionen auszulösen.

Die α-Gliadine wurden als gute Kandidaten für diesen Prozess identifiziert, insbesondere das GLI-D2-Locus, das einen hohen Anteil an schädlichen Epitopes enthält. Die Forscher stellten fest, dass die Eliminierung der schädlichen Proteine ohne Beeinträchtigung der Weizenqualität erreicht werden könnte und in einigen Fällen die Qualität sogar verbessert werden könnte.

Die Ergebnisse der Forschung unterstreichen das Potenzial, Weizensorten mit niedrigeren immunogenen Werten zu entwickeln. Indem Linien geschaffen werden, die die Hauptschädlichen Epitopes nicht enthalten, könnte es möglich sein, die Brotqualität zu verbessern und gleichzeitig die Sicherheit für Personen mit Zöliakie-Risiko zu erhöhen.

#Zukünftige Ausrichtungen

Während die Studie sich auf entscheidende Löschungen in den α-Gliadin-Proteinen konzentrierte, besteht weiterhin die Notwendigkeit, ähnliche genetische Modifikationen bei anderen Glutenproteinen zu erforschen. Kontinuierliche Forschung ist notwendig, um sicherzustellen, dass die reduzierte Immunogenität nicht die wesentlichen Eigenschaften beeinträchtigt, die für das Brotbacken erforderlich sind.

Darüber hinaus könnte die Kombination genetischer Löschungen über mehrere Loci hinweg eine effektive Strategie bieten, um Weizen zu schaffen, der sowohl sicher für die Verbraucher als auch für die kommerzielle Produktion geeignet ist. Die Einführung dieser Löschungen in allgemein akzeptierte Weizensorten könnte grosses Potenzial haben, um die Bedürfnisse sowohl der Gesundheit als auch der kulinarischen Standards zu erfüllen.

Zusammenfassend zeigt die Forschung einen klaren Weg zur Verbesserung des Weizens zum Wohle derjenigen mit glutenbezogenen Störungen, ohne die Qualität zu opfern. Bemühungen, schädliche Glutenproteine vollständig zu entfernen, werden weitere Untersuchungen erfordern, insbesondere um die Sicherheit solcher Produkte für Personen mit bestehenden Erkrankungen zu bestätigen.

Das Potenzial, Weizen mit einem reduzierten immunogenen Profil zu entwickeln, stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, um die Herausforderungen der Zöliakie zu bewältigen und gleichzeitig die Qualität der für Verbraucher verfügbaren Lebensmittelprodukte zu verbessern.