Von der Gensequenz zum Praxisnutzen · Mais 2,50 Gb . Mensch 3,00 Gb . Gerste 5,10 Gb . Weizen...

Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung Dr. Günther Schweizer

Von der Gensequenz zum Praxisnutzen

Pflanzen züchten – Zukunft sichern Symposium zur

Pflanzenzüchtung in Bayern 30.03.2012 München

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Übersicht

Einführung

Genomrevolution - Datenpunkte, Hochdurchsatz, Bioinformatik

Praxisnutzen heute - PreBreeding Programme - genetische Diversität

Praxisnutzen morgen - das ganze Genom als Tool - Genomische Selektion und Umwelten

Zusammenfassung und Fazit

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 02

Zuchtgarten

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Schlüsseltechnologie Pflanzenzüchtung

Herausforderung Landwirtschaft:

Lebensmittel Futtermittel Rohstoffe

Energiewende Klimawandel

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 03

Aus: GFP 2011

Züchtung ist enorm Innovativ, sie löst Probleme

Tank Trog Teller ...

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Eine Pflanze hat 40.000 Gene, die im Zellkern auf den einzelnen Chromosomen verschlüsselt, in Form von DNA-Fäden vorkommen.

Foto: KWS-Buch

Foto: IPZ

DNA

Von der DNA zur Selektion

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 04

Foto: Schweizer/LfL

Genomgrößen Arabidopsis 125 Mb

Reis 430 Mb

Mais 2,50 Gb

Mensch 3,00 Gb

Gerste 5,10 Gb

Weizen 16,50 Gb

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Marker

Vom Chromosom zum genetischen Fingerabdruck Gleiche Eltern, neue Genkombinationen

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 05

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

M. Delseny et al. (2010) Plant Sci. 179: 407-422

Genomrevolution: schneller, größer, günstiger

Das 100$ Genom wird bis 2016 erwartet. Unvorstellbare Techniken sind in der Pipeline (u.a. Nanoporensequenzierung).

=> Referenzgenome.

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 06

4 grosse Gen-Datenbanken: - hier liegen Petabytes an Daten EMBL: Nucleotide Sequence Database/Heidelberg EBI/Großbritannien GenBank/USA DNA Data Bank of Japan

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung barley – rice synteny: comparative genomics Folie: Nils Stein IPK-Gatersleben

Thiel et al. 2009 BMC Molecular Evolution

Gerste-Reis Synteny: Vergleichende Genomic

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 07

K. Mayer, Helmholtzzentrum München

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

SNP: Single Nucleotid Polymorphism Genetische Unterschiede:

total = 5.332.886 Anwendbare hcSNPs:

106.856 SNPs high confidence SNPs in Genen

SNP Marker: Die Markertechnik von heute

SNP Mining: Barke vs. Morex

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 08

www.illumina.com

2x 1,2 Mio SNP-Marker pro DNA-Chip möglich !!

Folie nach Nils Stein IPK-Gatersleben

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

NONEXPRESSER OF PR1: >gi|291464044|gb|GU722159.1| Oryza sativa Indica Group cultivar Gui99 ankyrin-repeat protein (NPR1) gene, NPR1-NH1 allele, complete cds GGATCCAACTGGTAGAGTCCATAGCCAAACACAATAAAATTATGGGTACACATCCAAGGCGAAAAAGCAA GTCATTAATCTTTCTTCACATCGACGTGTAGATGTGATCTCTTCTTTGTCAATCTTTGTTTTTTCACTTT CTTTAATACGGGCAGCTTCGTTTTGCAATTTGGTCCTTTCAGTTCCTGGAAAATATAGAGTAAACACTCC TGCGTGTGGTGAACTGGTGACAAGTGACAACTCCTTTTATCTCTTCTTTAATTGGAGCTGTTTATTACTT

NPR1-Sequenz von

Reis

Ähnliches Gen in Weizen

SNP-Analyse unterschiedlicher

NPR1-Allele im Weizen

(Chr. 2D)

Getreide ohne Pilzgifte: Ährenfusariosen: Mykotoxinfreie Lebensmittel

Sequenzanalyse von 16 Weizensorten: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16

Allele Sequenz/SNP

Allel 1 AGAATCTGTAA

Allel 2 AGAATTTGTAA

Dr. M. Diethelm

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 09

DON-Deoxynivalenol, ZEA-Zearalenon

NPR1 - Schlüsselregulator der Pathogenabwehr

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Daten basieren auf den Mittelwerten über 4 Umwelten; a/bScheffé-Test P<0,001

Allel 1 2 Befall in % 45a 30b Anzahl Sorten 33 124

Fusa

rium

befa

ll in

%

80

60

40

20

0

Praxis: NPR1 – Marker für die Selektion

Diethelm, Hartl, Schmolke (TUM)

Fusariumanalyse an 157 Weizensorten

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 010

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Verändert nach: A. Thirugnanasambandam et al. Plant Pathol (2011) 60, 513–521

anfällig

Resistenz-träger

3 Tage nach Inokulation 10 Tage nach Inokulation 21 Tage nach Inokulation

Pilz-Isolat: R214

Resistenzgen oder Fungizid Grün: Pilzmycel in der Pflanze

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 011

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

11_08220.011_01383.311_10927.811_09628.411_014521.211_060336.411_043640.411_057044.811_003746.411_012352.611_098554.111_016354.711_125857.011_115658.111_065259.111_109159.611_082763.111_1096 11_040763.411_0461 11_002264.611_147666.2Rrs169.311_020571.011_031571.611_137872.111_101373.811_147075.511_119776.111_096378.711_140179.611_049380.811_124085.411_007087.611_145693.211_122893.811_062896.111_129497.911_1299106.011_0593106.611_0565109.311_0228109.811_1408118.011_0009119.211_0864125.111_1171125.611_0977139.711_0314145.711_1379146.211_1018147.311_0581148.811_1357158.811_0063159.911_0876162.211_1166170.611_0901171.011_1481191.811_0046192.311_1527195.6

0

20

40

60

80

100

120

140

160SBCC145xBeatrix Pilz-Isolate 271

0

20

40

60

80

100

120

140

160

QTL-Analyse mit 1600 SNP-Marker

SBCC145xBeatrix Pilz-Isolate LfL07

Kooperation mit CSIC-Spanien: E. Igartua Chromosom 3H

1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H

1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H

Rrs1 Kartierung und Marker-Entwicklung

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 012

Spanish Barley Core Collection: 160 Landsorten

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Praxisanwendung - Markerselektion

Bonitur der Pilzresistenzbonitur

im Gewächshaus

Bonitur der Pilzresistenz

im Feld

Resistent anfällig Resistent anfällig

Markerselektierte Linien

Bsp. Blattflecken: Rrs1; CNE145

Blattflecken Gerste

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 013

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

FM-Marker diskriminieren akkurat zwischen Allelen des Zucht-Merkmals

Liu et al. TAG 2012 DOI 10.1007/s00122-012-1829-3

Funktionelle Marker im Weizen

Trait Locus Chromo-som

Functional markers for processing quality genes in wheat Polyphenol oxidase activity Ppo-A1 2AL

Ppo-D1 Lipoxygenase activity TaLox-B1 4BS Yellow pigment content Psy-A1 7AL

Psy-B1 7BL Psy1-D1 TaZds-A1 2AL TaZds-D1

Bread and noodle-making quality Glu-A1 1AL Glu-B1 1BL Glu-D1 Glu-A3 1AS Glu-B3 1BS

Grain hardness Pin-a 5DS Pin-b

Starch property Wx-B1 4AL Functional markers for agronomic traits in wheat Reduction in plant height Rht-B1 4BS

Rht-D1 4DS Phototperiod response, earliness Ppd-D1 2DS Vernalization VRN-A1 5AL

VRN-B1 5BL VRN-D1 VRN-H1 7HS VRN-B3 7BS

Kernel weight TaSus2-2B 2BS TaGW2-6A 6AS TaCwi-A1 2AL

Abiotic stress tolerance Dreb-B1 3BL Functional markers for disease resistance genes in wheat Powdery mildew resistance Pm3 1AS Leaf rust, Lr34/ 7DS stripe rust, and Yr18/ powdery mildew resistance Pm38 Functional markers for alien genes introduced in common wheat Bread- and noodle-making quality 1BL·1RS 1BL·1RS Grain protein content and stripe rust Gpc-B1 and Yr36 6BS Stripe rust Yr17 2NS·2AS Leaf rust Lr19 7AgL·7AL

Lr21 1DS Lr47 7S·7AS Lr51 1S·1BL

Pyramidisierung (Kombination) der Merkmale ist möglich.

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 014

Über 30 loci sind mit Prozessqualität, agronomischen Eigenschaften und Pathogenresistenzen assoziiert, über 100 funktionelle Marker liegen hierfür vor.

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Verändert nach Thomas Altmann IPK GFP-Jahrestagung 04.11.2010/Bonn

Nutzung von Genbankressourcen

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 015

Genomanalyse zeigt die genetische Diversität der Gene (Allele) auf.

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Breitspektrumsresistenz - Gerste

Aus: P.Schweizer, N. Stein MPMI 2011 12, 1492-1501

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 016

ein QTL … für viele Rassen eines Pathogens … für verschiedene Pathogene

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

GZW = Genomischer Zuchtwert

… und in Zukunft: Whole-genome sequencing & Selektion der optimalen Allelkombinationen

Whole-genome Selektion

aus Miedaner, Fulda 2011

Simianer 2011

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 017

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Referenzgenome für alle Fruchtarten werden absehbar vorliegen

Genfunktionen für Majorgene liegen vor/werden aufgeklärt und funktionelle Selektionsmarker hierfür entwickelt

Bezahlbare Hochdurchsatz SNP-Analysen gibt es schon

Genomweite Assoziationsstudien führen zu den „grossen Fischen“ wie Ertrag und Qualitätsmerkmalen, die von vielen Genorten gemeinsam gesteuert werden

Genomweite Assoziationsstudien führen außerdem zum Verständnis, wie die Pflanze auf biotischen und abiotischen Stress reagiert. Diese Gene können über genomische Selektion angereichert werden

Die Analyse von Wildarten und Landsorten erweitert die genetische Diversität im Zuchtmaterial. Neue Allele können und müssen über leistungsstarke Markerselektionen in die PreBreeding-Programme aufgenommen werden

Referenzgenome für alle Fruchtarten werden absehbar vorliegen

Genfunktionen für Majorgene liegen vor/werden aufgeklärt und funktionelle Selektionsmarker hierfür entwickelt

Bezahlbare Hochdurchsatz SNP-Analysen gibt es schon

Genomweite Assoziationsstudien führen zu den „grossen Fischen“ wie Ertrag und Qualitätsmerkmalen, die von vielen Genorten gemeinsam gesteuert werden

Genomweite Assoziationsstudien führen außerdem zum Verständnis, wie die Pflanze auf biotischen und abiotischen Stress reagiert. Diese Gene können über genomische Selektion angereichert werden

Die Analyse von Wildarten und Landsorten erweitert die genetische Diversität im Zuchtmaterial. Neue Allele können und müssen über leistungsstarke Markerselektionen in die PreBreeding-Programme aufgenommen werden

Von der Sequenz zur Praxis – ja!

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 018

Verändert nach nach Fernie and Schauer TIG (2009) 1 39-48

future

… In the future, the progress in trait

discovery tools, plus simultaneous whole genome sequencing

for marker development and trait

mapping should dramatically shorten

the market introduction of new

traits …

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Zusammenfassung und Ausblick

Identifikation von Genen und

Netzwerken

Erfassung der allelischen

Diversität und deren Wirkung

Molekulare Pflanzen- züchtung.

Das bedeutet eine Kooperation

von Praxis mit Spezialisten

Die molekulare Pflanzenzüchtung wird einen schnellen und entscheidenden

Beitrag zur Ertragssicherheit unter sich ändernden Produktionsbedingungen

leisten.

Das Wissen um den Genotyp der Pflanze bildet die Grundlage für die

pflanzenbauliche Optimierung zukünftiger Produktionsverfahren und

damit zur Bewältigung aktueller Herausforderungen.

100

150

E S A T G T C G A T G

G/G

100

150

E S A T G T C G A T G

T/T

TTAGGTACGAATGGCACTATT

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Danke für Ihre Aufmerksamkeit ! … und an

Die Züchter …

LfL-AG Genomanalyse M. Diethelm, B. Büttner, M. Möller A. Barth, A. Jestadt, S. Wüllner, P. Greim

IPK: Marion Röder Anja Hanemann, Stefan Marzin

Martin Ganal, Andreas Graner, Nils Stein

JKI: Frank Ordon, Brigitte Ruge-Wehling Dragan Perovic ...

CSIC: Ernesto Igartua, J. Lassa Ana Casas, Christina Silvar

Uni-Halle: Klaus Pillen Vera Draba

MPI-Golm: M.Lohse, B.Usadel

Uni Gießen/IMGM: Prof. Friedt, Carola Wagner

SCRI: Mark Loosely

IPB-Halle: Dr. Wolfgang Knogge

HelmholtzZentrum: K.Mayer …

TUM: Prof. Schön, Prof. Hückelhoven, …

und vielen mehr!

StMELF für die Unterstützung und die Finanzierung

an alle Arbeitsgruppen !!!

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Wildarten

(10,000 yrs. ago)

Landrassen

(100 yrs. ago)

Moderne Sorten (today)

Wildgerste Landsorten Moderne Elitegersten

(Ellis et al. 2000)

Zuchtniveau:

Alleles lost after domestication (nach Tanksley & McCouch, 1997)

Allelerosion als Folge von Auslese ?

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 021

Verändert nach Prof. Klaus Pillen

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Beispiele für die Pyramidisierung /Anhäufung von Resistenzgenen in F1-Kreuzungen 2010

Cross / plant

Pm1c Pm3b Pm17 Pm21 Pm24 Pm29 Lr9 Lr19 Lr24 Lr34 Lr47 Pch1 FHB1 3BS

FHB3 5A

FHB 6BS

FHB 7BS

GPC

300-09 11 x x x x x x x x x x 300-09 21 x x x x x x x x x x

300-09 11 x x x x x x x x x x 326-09 18 x x x x x x x x x

300-09 11 x x x x x x x x x x 336-09 11 x x x x

300-09 24 x x x x x x x x x x 307-09 4 x x x x x x x x x x

Ziel: Pyramidisierung einer maximalen Anzahl relevanter Resistenzgene in F1-Pflanzen und Rückkreuzung mit den besten Linien um diese Genkombinationen im Zuchtmaterial anzureichern.

Marker gestütztes Rückkreuzungsprogramm bei Weizen zur Vermeidung von Resistenzdurchbrüchen

Folie nach Dr. Kempf Secobra

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 022

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Jahresabhängiges Auftreten der wichtigsten Weizenkrankheiten von 1996 -2011

Befallsindex = mittlere Bonitur Anzahl Orte in der WP1

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011Mehltau Blattsept. DTRGelbrost Braunrost Ä.fusarium

Folie nach Dr. Kempf, Secobra

Befallsindex

Marker ermöglichen auch ohne Befallsdruck eine Selektion auf das

entsprechende Merkmal

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 023

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

517 Reis-Landsorten re-sequenziert (1x Illumina GAII) 2,7 Mrd 73 bp paires end reads 3,6 Mio SNPs detektiert => Hochdichte Haplotypkarte des Reisgenoms

X. Huang et al. (2010) Nat. Genet. 42:961-969

Genotypisierung durch Re-Sequenzierung

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 024

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Projekt: ExpResBar

Blumeria graminis

Rhynchosporium secalis

Puccinia hordei, Zwergrost

Ramularia collo-cygni

Barley yellow dwarf virus

Pyrenophora teres

Für weitere wichtige Gersten-Krankheiten werden derzeit im intern. KBBE-Projekt ExpResBar Selektionsmarker entwickelt

Exploiting Genetic Variation

for Resistance to Important

Pathogens in Barley

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 025

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Ertragspotential

Realisierung des genetischen Ertragspotentials wird erreicht durch: Resistenzen - biotisch - abiotisch Nährstoffeffizienz Wassereffizienz

Verdopplung des Ertrages bis 2050 / Bioökonomierat 2010

Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

Technik-Aufrüstung in der Züchtung

Symposium zur Pflanzenzüchtung / München 30.03.2012 / 027

Datenhandling: Bioinfomatik, Biostatistik quantitativ genetische Analysen

TTAGGTACGAATGGCACTATT Phänotypisierungs-

plattformen: Feld, Gewächshaus ,

Labor, NIRs, Sensortechniken

Aufstellung und Investition:

Genetik Information Management