Forschung und Biotechnologie
Genomanalyse und markergestützte Pflanzenzüchtung

Die Anzucht einer Gerstennachkommenschaft wird in kleinen Töpfen im Gewächshaus vollzogen. Jede Gerstenlinie erhält eine Erkennungsnummer anhand deren zu jederzeit genetische wie phänotypische Daten zusammengeführt werden können.
Die moderne Biotechnologie erlaubt der Pflanzenzüchtung einen Blick tief ins Innere der Pflanze. In Kombination mit der Pflanzenzüchtung gelingt es ihr auf die stetigen Herausforderungen der Landwirtschaft wie Klimawandel, Ernährungssicherung, Allergien oder Eiweißqualität eine wirkungsvolle Antwort zu finden.
Die strategische Kombination von Züchtung und Genpoolarbeit mit den neuesten Kenntnissen und Methoden der Genomanalyse ermöglicht eine nie gekannte Aussage- und Selektionsgenauigkeit in der Entwicklung merkmalsvererbender Zuchtlinien für die Landwirtschaft. Die Genomanalyse und markergestützte Pflanzenzüchtung eröffnet die Möglichkeit die genetische Diversität im Genpool der Pflanzen nachhaltig nutzen zu können.

Biotechnologieführungen am Tag der offenen Tür in Freising am 17. September 2017

Besuchen Sie die Gendiagnose- und Gewebekultur-Ausstellung ganztägig oder gemeinsam mit der Führung Moving Fields und RINEG/Zukunftsgewächshaus (11:15, 13:15 und 15:15 Uhr).
Treffpunkt: Gebäude 9, Verbinderhalle OG

Tag der offenen Tür der LfL in Freising, 17. September 2017: Thema "Wasser" im Fokus Externer Link

Gendiagnose in der Züchtungsforschung

Durchsichtige Reaktionsgefäße mit Blattproben.
Sie ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts und spielt in nahezu allen Bereichen des Alltagslebens eine entscheidende Rolle. Über die Entwicklung spezieller DNA-Marker können bemerkenswerte Selektionsstrategien für vielfältige Züchtungsmerkmale verfolgt werden: Beginnend bei der Keimung und Kühletoleranz, über Blühzeitpunkt und Krankheitsresistenzen bis hin zu Erntemerkmalen wie Eiweiß-, Brau- und Backqualität werden sie eingesetzt. Selbst komplexe Reaktionen von Pflanzen unter extremen Witterungseinflüssen werden experimentell mit den Methoden der Hochdurchsatz-Phänotypisierung, Genexpressionsanalyse, Genomanalyse und Bioinformatik erfasst, analysiert und in entsprechenden Züchtungsprogrammen umgesetzt.

Gewebekultur in der Züchtungsforschung

Gerstenanzucht in Töpfen für die DNA-Isolation
Eine weitere Steigerung stellt die Integration von Gewebekulturtechniken und damit der Aufbau von Kartierungs- und Selektionspopulationen für oben genannte DNA-Markertechniken und Auswertemodulen dar.
Hierbei werden z.B. doppelhaploide Pflanzen eingesetzt. Das sind komplett reinerbige Pflanzen, bei denen alle väterlichen und mütterlichen Gene identisch sind. Solche Pflanzen lassen sich im Gewebekultur-Labor ausschließlich aus männlichen oder weiblichen Keimzellen (Pollenkörner, Eizellen) entwickeln, bzw. regenerieren.

Markerbasierte Sojazüchtung

Steckbrief Soja

Sojabohnen
Sojabohne (Glycine max (L.) Merr.) ist ein Schmetterlingsblütler (Ordnung: Faboidae) innerhalb der Familie der Hüsenfrüchtler (Familie: Fabaceae; Gattung: Glycine)
• Soja ist eine Kurztagspflanze.
• Soja stammt ursprünglich aus der Mandschurei im Nordosten Chinas.
• Erste Sojaanbau datiert auf ungefähr 1100 v.Chr.
• Soja ist die erste Hülsenfrucht deren Genom sequenziert werden konnte (Nature vom 14. Januar 2010, 463, S. 218–222).


Genetik der Soja (Glycine max)

  • 20 Kopplungsgruppen (2n = 2x = 40 Chromosomen)
  • 1,115 x 109 bp (1,1 Gb)
  • Ca. 46.400 Gene (Schmutz et al. 2010)
  • Jahr der Erst-Sequenzierung: 2010
  • Soja-Datenbank: Grant et al. 2010

Markeranalysen für den Blühzeitunkt bei Soja

Lilafarbene Blüte einer Sojapflanze
Die Blütenausbildung bei Soja ist ein sehr komplexes Wechselspiel von Genen und Effektoren die über Tageslänge, Entwicklungszustand, Temperatur und Phytohormone gesteuert werden. Für die Allele der 3 Hauptgene E1, E3 und E4 konnten molekulare Marker entwickelt und Genbank- wie Sortenmaterial untersucht werden.

Markeranalysen für den Blühzeitunkt bei Soja

Stammbaumanalysen von Genbankmaterial bei Soja

Ein Sortiment von 184 Soja-Genbanklinien weltweiter geographischer Herkunft und aus den beschriebenen Reifegruppen MG 0000 bis MG I sowie 66 alte und aktuelle Sojasorten wurde mit dem BARCSoySNP6K Illumina iSelect BeadChip genotypisiert. Mit dieser Analyse wurden mehr als 1,25 Millionen Datenpunkte erhoben, die für die Beschreibung und Charakterisierung der genetischen Diversität des untersuchten Materials herangezogen wurden. Eine Stammbaumanalyse zeigte, dass das aktuelle Sortenmaterial im Vergleich zum untersuchten Genbankmaterial genetisch sehr eng ist. Hinsichtlich des Genbankmaterials lässt sich eine klare Differenzierung zwischen japanischen, chinesischen und europäischen Herkünften ableiten. Ein letztes Cluster bildet Material verschiedener asiatischer Herkünfte wie China, Korea und Japan. Eine eindeutige Gruppierung bezüglich der bekannten Reifegruppen konnte nicht abgeleitet werden. Die BARCSoySNP6K Illumina iSelect BeadChip Analysen stellen eine wertvolle Ressource zur genetischen Charakterisierung des bearbeiteten Soja-Genpools dar, sie sind gleichzeitig Ausgangsbasis für die Bestimmung von Marker- Merkmalskorrelationen.

DNA-Test für Kreuzungsnachweis bei bayerischem Soja an der LfL entwickelt

Markerbasierte Gerstenzüchtung

Seit tausenden von Jahren (~ 7 - 10.000), seit der Mensch sesshaft wurde, hat er die Samen der besten Gerstenpflanzen ausgewählt und aus Wildgerste domestiziert (Salamini 2002, Nat Rev Genet 3: 410-441). Zunächst konnten die besten und schönsten Körner per Gefühl und Auge, später dann über gezielte Messungen selektiert werden.
Im Zeitalter der Gersten-Genomforschung (IBSC – International Barley Sequencing Consortium) kennen wir viele Gene die für die Ausprägung der sicht- und messbaren Merkmale verantwortlich zeichnen. Aber es sind noch lange nicht alle, auch ihre Wechselwirkung und Regulation sind häufig unbekannt oder sehr komplex. Verschiedene Genome von Kulturgersten (Hordeum vulgare) aber auch von Wildgersten (u.a.Hordeum spontaneum) konnten mittlerweile sequenziert (IBCSC 2012; Nature 436:793-800), die Genabfolgen verglichen und die Gene in ihren verschiedenen Variationen (Allele) ihren Chromosomen zugeordnet werdn. Das Gerstengenom ist nahezu zweimal so groß wie das des Menschen.
Heute sind Funktion und Regulation mancher agronomisch relevanter Gerstengene bekannt - andere bedürfen noch der Aufklärung und Umsetzung. Die moderne Pflanzenzüchtung macht sich mittlerweile den Gencode züchtungsrelevanter Gene zu Nutzen. Sie schaut über Zuhilfenahme molekularer Gerstenmarker nach, ob und welche Gene beispielsweise den höheren Kornertrag oder die bessere Brauqualität liefern. Mit Hilfe spezifischer DNA-Marker erleichtert die Gendiagnose die gezielte Selektion dieser Gene in erheblichem Maße, sie wird als „Markerbasierte Pflanzenzüchtung“ oder „Smart Breeding“ bezeichnet.
Viele interessante Gene führen in ihrem Zusammenspiel zu einer verbesserten Resistenz gegen Gerstenschädlinge oder sie erhöhen die Produktqualität, diese Gene können strategisch über eine gezielte und markerunterstützte Pflanzenzüchtung neu kombiniert werden.
Über den gezielten Anbau solch wertvoller und krankheitsresistenter Sorten wird der Landwirt effizient und kostengünstig eine umweltgerechte und nachhaltige Gerstenproduktion leisten können.

Verzeichnis zum Abruf der Gerstendatenbank am Helmholtzzentrum München

Genetik der Gerste (Hordeum vulgare)

  • Chromosomenzahl: 2n=2x=14
  • Genomgröße: 5.1 Gb (Basenpaare)
  • Ca. 32.000 Gene (ca. 2-3% des Genoms)
  • Jahr der Erst-Sequenzierung: 2012

Markerbasierte Weizenzüchtung

Erste Ergebnisse zur Zuchtwertschätzung beim Weizen

Zuchtwertschätzung Winterweizen 2017 mit Symbol Weizenähre
Vor der Ernte stehen bereits die ersten genomischen Zuchtwerte der aktuellen Stämme aus dem LfL-Weizenzuchtprogramm zur Verfügung. Dadurch können Linien frühzeitig auf Ertrag selektiert und an private Züchter für die gezielte Anpaarung abgegeben werden. Ziel in der Weizenzüchtungsforschung am Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung ist es, die genomische Selektion nachhaltig zu etablieren, um einen schnelleren Zuchtfortschritt zu ermöglichen.

Erste Ergebnisse zur Zuchtwertschätzung beim Weizen