Munich, Germany
March 5, 2015
Quelle
According to the head of the Synbreed project, Prof. Chris-Carolin Schön, optimizing breeding methods will be an important technology for the future. (Image: A. Heddergott / TUM)
From healthier cattle to corn that is better adapted to climate change, the Synbreed project has made major breakthroughs in animal and plant breeding. The methods used are based on DNA analysis, which allows scientists to identify characteristics in animals and plants that are particularly advantageous for breeding. In contrast to other common processes, genome-based breeding is a much faster – and predictable – route to success.
Agriculture and breeding are inextricably linked. Down through the ages, humans have cross-bred very high-yield or highly resistant fruits and grains or bred animals selectively to ensure that they passed on desirable traits.
Conventional breeding is a time-consuming affair, however: while the desirable characteristic– “more milk” for example – may be obvious, not so much is known about the underlying genetics. So it is difficult to assess in advance whether the parent animals or plants will actually pass on the required trait. The success of the process is only apparent when subsequent generations are born or cultivated. It can often take decades for a particular characteristic to become firmly established in a line of animals or plants.
In order to improve breeding processes and perform basic research on genome-based approaches, the Synbreed cluster (http://www.synbreed.tum.de/) headed by Technische Universität München (TUM) was set up in 2009.
Mehrere Tausend verschiedene Maissorten gibt es weltweit. Die genetische Vielfalt ist für Pflanzenzüchter wertvoll, zum Beispiel für die Entwicklung von dürre- oder schädlingsresistenen Sorten
Big data provides answers for successful breeding
Tiny differences in DNA are often what determine the strength of an eggshell or a plant’s compatibility with saline soil. As part of the project, the scientists studied the genes of different corn varieties and of cattle and chickens, analyzing thousands of samples. Their objective was to find the gene combinations responsible for desirable characteristics.
“The big data approach delivered genome information on different phenotypes over a number of years,” relates project leader Prof. Chris-Carolin Schön from TUM’s Chair of Plant Breeding. “For example, we were able to evaluate with high accuracy the breeding value of new strains of corn and determine whether they would consistently perform well in different environmental conditions, from chilly weather in spring to extreme heat in summer.
Focus on healthier and more robust animals
In Germany, the practice of collecting the genetic fingerprints of breeding bulls was introduced in 2009. During the Synbreed project, the team under Prof. Ruedi Fries (TUM Chair of Animal Breeding) discovered which gene sequences were responsible for the dark pigmentation around the eyes of Fleckvieh cattle. The pigment acts like sunglasses, protecting the animals’ eyes against UV rays and possible tumors. “This characteristic would be particularly useful for Fleckvieh cattle in countries further south – and now we can selectively breed it into animals,” explains Fries.
The researchers also detected a genetic defect that makes breeding bulls more or less infertile. “Thanks to the techniques developed during the Synbreed project, successful breeding can be achieved twice as fast as with conventional methods,” says Fries. He is convinced that the genome-based approach will produce healthier animals “because we can identify pathogenic gene variants and eliminate them in the future.”
The Synbreed findings discovered by Fries have also been fed into the international “1000 bull genomes project”, in which genomes of the world’s four most common cattle breeds have been sequenced.
Successful breeding of laying hens achieved in much quicker timescale
With laying hens, too, the health of the birds is just as important as pure performance – such as laying rate or egg quality, as Prof. Henner Simianer from the Department of Animal Breeding and Genetics at the University of Göttingen, explains: “Genomic analysis helps us to study complex characteristics – for example mortality or behavior on encountering other animals.” What’s more, breeding success in hens can be achieved 10 to 30 percent faster.
The DNA analyses also played an important role when it came to determining genetic diversity, which is usually diminished through breeding. The researchers studied 160 chicken breeds from around the world and found that especially those breeds that lay white eggs showed less diversity. This could restrict the breeding success within these breeds, whereby there is a lot of genetic diversity between commercial breeding lines and outside of this gene pool.
Good breeding potential in genetically diverse corn
Whether a particular characteristic becomes established in corn only becomes apparent after sowing or at harvest time. “With the new technologies available to us, we can assess with much greater accuracy which plants are likely to result in selection gain – and thereby increase our chances of success,” Schön comments.
Genome analysis can also be used to select complex characteristics even outside the growing season, for example in progeny that are cultivated in a greenhouse or in the southern hemisphere in the winter.
Genome analysis has shown that the genetic diversity of corn has also been affected by breeding. Some segments of the genome have lost a great deal of their diversity; others show significant untapped potential for breeding. Classifying and using this potential will be a future task for scientists.
Synbreed project breeds success
“The Synbreed project has achieved massive breakthroughs in breeding research,” concludes Schön. “For proof, look no further than the fact that some companies specializing in breeding are already applying our methods on a large scale.”
The project has also created significant impetus for agricultural research at TUM’s Weihenstephan campus – including structural changes to the way research is carried out. With Synbreed, TUM has gained a more visible profile in the field of international agricultural science research, as numerous publications and international cooperation projects testify.
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Synbreed Projekt: Erfolgreich züchten mit DNA-Analysen
Gesündere Kühe, besser an den Klimawandel angepasste Maispflanzen: Das Synbreed-Projekt stellt jetzt bahnbrechende Ansätze für die Tier- und Pflanzenzüchtung vor. Die Methoden beruhen auf DNA-Analysen, die Merkmale erkennen lassen, aufgrund derer sich Tiere und Pflanzen besonders gut für die Züchtung eignen. Im Vergleich zu sonst üblichen Verfahren führt die genombasierte Züchtung deutlich schneller - und mit vorhersagbaren Ergebnissen - zum Erfolg.
Landwirtschaft und Züchtung sind untrennbar miteinander verbunden. Seit jeher haben Menschen besonders ertragreiche oder widerstandsfähige Obst- und Getreidepflanzen oder Tiere miteinander gekreuzt, um günstige Eigenschaften an die Nachkommen weiterzugeben.
Allerdings ist konventionelle Züchtung langwierig, da man zwar das erwünschte Merkmal - zum Beispiel "mehr Milch" - kennt, aber nicht immer dessen genetische Grundlagen. Daher lässt sich vorab nur schwer abschätzen, ob die Elterntiere oder -pflanzen das Merkmal tatsächlich vererben. Der Erfolg der Züchtung zeigt sich erst in den nachfolgenden Generationen. Oft dauert es Jahrzehnte, bis eine Eigenschaft dauerhaft in einer Tier- oder Pflanzenlinie verankert ist.
Um Züchtungsprozesse zu verbessern und dabei genombasierte Ansätze von Grund auf zu erforschen, wurde 2009 der Cluster Synbreed unter der Leitung der Technischen Universität München (TUM) ins Leben gerufen.
"Big Data" liefert Antworten für erfolgreiche Züchtung
Wie robust eine Eierschale ist oder wie gut eine Pflanze mit salzhaltigen Böden zurechtkommt, hängt oft von kleinen Unterschieden in der DNA ab. In dem Projekt ermittelten die Wissenschaftler das Erbgut verschiedener Maissorten sowie von Rindern und Hühnern - und analysierten jeweils tausende von Individuen. Ihr Ziel war es, Genkombinationen zu finden, die für erwünschte Merkmale verantwortlich sind.
"Der Big Data-Ansatz lieferte über mehrere Jahre hinweg die Genominformation verschiedener Phänotypen", erklärt Projektleiterin Prof. Chris-Carolin Schön vom TUM-Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung. "So konnten wir zum Beispiel den Zuchtwert neuer Maislinien mit hoher Genauigkeit schätzen und feststellen ob sie auch bei wechselnden Umweltbedingungen, wie zum Beispiel Kälte im Frühjahr oder Hitze im Sommer, eine konstant gute Leistung erzielen.
Im Fokus: Gesündere und widerstandsfähigere Tiere
In der Tierzucht ist es seit 2009 Praxis, genetische Fingerabdrücke von Zuchtbullen zu sammeln. Im Synbreed-Projekt fand das Team von Prof. Ruedi Fries (TUM-Lehrstuhl für Tierzucht) heraus, welche Genabschnitte beim Fleckvieh für eine dunkle Fellfärbung an den Augen sorgen. Wie eine Sonnenbrille schützt das Pigment die Tiere vor krebserregenden UV-Strahlen. "Das Merkmal ist daher besonders für Fleckvieh in südlichen Ländern wichtig und kann jetzt gezielt gezüchtet werden", sagt Fries.
Die Forscher spürten außerdem einen Gendefekt auf, der Zuchtbullen nahezu unfruchtbar macht. "Dank der in Synbreed entwickelten Techniken lassen sich Zuchterfolge doppelt so schnell erzielen als mit herkömmlichen Methoden", so Fries. Er ist auch davon überzeugt, dass der genombasierte Ansatz gesündere Tiere hervorbringen wird, "weil wir krankmachende Genvarianten erkennen und künftig ausschließen können."
Die Synbreed-Ergebnisse von Fries fließen außerdem in das internationale 1000-Bullen-Genom-Projekt“ ein, das Zuchtbullen-Genome der vier weltweit am meisten verbreiteten Rinderrassen sequenziert.
Legehennen: Züchtungserfolge in deutlich kürzerer Zeit
Auch bei Legehennen geht es neben reinen Leistungsmerkmalen - wie die Legeleistung oder Qualität des Eis - um die Gesundheit der Tiere, wie Henner Simianer, Professor im Fachbereich Tierzucht und Genetik an der Universität Göttingen erläutert: "Die genomischen Analysen helfen uns dabei, komplexe Merkmale zu untersuchen - zum Beispiel die Sterblichkeit oder das Verhalten gegenüber anderen Tieren." Zudem stellen sich Zuchterfolge beim Huhn um zehn bis 30 Prozent schneller ein.
Eine wichtige Rolle spielten die DNA-Analysen auch für die Bestimmung der genetischen Vielfalt, die sich durch Züchtung meist verringert. Untersucht wurden 160 weltweit verbreitete Hühnerrassen. Das Ergebnis: Insbesondere Zuchtlinien mit weißen Eiern weisen eine reduzierte Diversität auf. Das könnte die züchterische Flexibilität innerhalb dieser Linien einschränken, wobei zwischen den kommerziellen Zuchtlinien sowie außerhalb dieses Genpools eine große genetische Vielfalt besteht.
Hohes Zuchtpotenzial durch genetische Vielfalt beim Mais
Ob sich beim Mais ein bestimmtes Merkmal durchsetzt, lässt sich erst nach der Aussaat beziehungsweise bei der Ernte feststellen. "Mit den neuen Technologien können wir jetzt viel effektiver abschätzen, welche Pflanzen als Kandidaten für einen Zuchterfolg in Frage kommen - und damit auch den Erfolg erhöhen", stellt Schön fest.
Außerdem kann man mit Genomanalysen jetzt auch außerhalb der Vegetationszeit auf komplexe Merkmale selektieren, zum Beispiel an Nachkommen, die im Winter im Gewächshaus oder auf der Südhalbkugel angebaut werden.
Die Genomanalysen deuten zudem darauf hin, dass sich auch beim Mais die genetische Vielfalt durch Züchtung verändert hat. Manche Genombereiche haben stark an Vielfalt verloren, andere Genomregionen bergen noch großes, ungenutztes Potential für die Züchtung - dieses gilt es einzuordnen und künftig zu nutzen.
Synbreed - eine Erfolgsgeschichte
"Das Synbreed-Projekt hat revolutionäre Erfolge in der Züchtungsforschung erzielt", resümiert Schön. "Das zeigt sich nicht zuletzt darin, dass einige auf Züchtung spezialisierte Unternehmen unsere Methoden bereits in großem Stil anwenden."
Zudem hat das Projekt bedeutende Impulse für die Agrarforschung am TUM-Standort Weihenstephan gesetzt - bis hin zu strukturellen Veränderungen im Forschungsbereich. Mit Synbreed hat die TUM an Sichtbarkeit in der internationalen agrarwissenschaftlichen Forschungslandschaft gewonnen, wovon zahlreiche Publikationen und weiterführende Kooperationsprojekte zeugen.
Mehr Informationen:
• Webseite Synbreed: http://www.synbreed.tum.de
• Abschlusssymposium Synbreed: http://www.synbreed.tum.de/index.php?id=109
• Beitrag in Faszination Forschung (PDF, 860 KB): http://go.tum.de/190070
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