Düsseldorf, Germany
May 27, 2019
The genetic difference between different potato varieties can be greater than between humans and chimpanzees. This is also reflected in the high variability in the appearance of different varieties. - Credit: HHU / V. Prigge
There are several thousand different varieties of Solanum tuberosum, commonly known as the potato, around the world. But this diversity obscures the fact that various genetic and biological factors make improvement by means of traditional breeding difficult. One of the reasons is that cultivated potatoes are tetraploid, meaning that their DNA contains four sets of chromosomes. By contrast, humans are diploid and have two sets of chromosomes. The disadvantage with respect to potatoes is that each gene locus can have four different versions, known as 'alleles'. This makes it considerably more difficult to create the best-performing combination of alleles. Secondly, unlike other significant crop plants such as maize, wheat or barley, potatoes have a low multiplication coefficient. This means that they have a lower number of tubers that can be harvested from each plant. This slows down breeding progress, as characteristics that are economically relevant cannot be recorded until the end of a breeding cycle.
Because of the significance of the potato for both nutrition and the economy - potatoes are also used to produce starch, among other things - it is necessary to breed new varieties that are resistant against plant diseases, adapted to changing environmental conditions or that have higher nutrition values, for example.
Prof. Stich's team at HHU coordinates the PotatoTools project, which is subsidised by the German government and is to develop tools for genomic selection (GS) in potato. The methods developed within the project will allow the prediction of the genetic potential of future varieties using thousands of molecular markers distributed across the genome.
So far there is a lack of important genomic resources needed in order to select desired characteristics successfully using GS. For example, a reference genome sequence for cultivated potatoes does not yet exist. Neither are there any means of characterising different genotypes (a genotype is the entire genetic make-up of an individual life form) of potatoes using high-throughput SNP arrays. It is likewise still unclear how potato breeding programmes need to be changed in order to make the best possible use of the advantages of GS. The PotatoTools project intends to tackle all of these unresolved questions. It is intended that the project will result in generally applicable tools and methods.
The project is a collaboration between research groups at HHU's Institute of Quantitative Genetics and Genomics of Plants and breeding companies. The Federal Ministry of Food and Agriculture will fund the project for a three-year period through the Agency for Renewable Resources. The overall project volume is roughly EUR 2.7 million, which includes the co-payments made by the companies involved.
Millionenförderung für die Pflanzenforschung an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf - Züchtung von Kartoffeln durch den Einsatz neuer Methoden beschleunigen
Der genetische Unterschied zwischen verschiedenen Kartoffelsorten kann größer sein als der zwischen Mensch und Schimpanse. Das spiegelt sich auch in der hohen Variabilität des Erscheinungsbildes verschiedener Sorten wider. (Foto: HHU / V. Prigge)
Die Kartoffel ist weltweit die drittwichtigste Kulturpflanze. Sie gezielt durch Züchtung zu verbessern ist aber aufgrund verschiedener Faktoren schwierig. Im Projekt „PotatoTools“ wollen Biologen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Dr. Delphine Van Inghelandt und Prof. Dr. Benjamin Stich Werkzeuge entwickeln, um gezielt bessere Kartoffelsorten zu züchten. Das am Institut für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen sowie an Züchtungsunternehmen angesiedelte und von der HHU koordinierte Projekt hat, inklusive Eigenanteilen, ein Gesamtvolumen von 2,7 Millionen Euro.
Verschiedene Kartoffelsorten auf dem Versuchsfeld. Beim Projekt PotatoTools geht es darum, Werkzeuge zu entwickeln, mittels derer die Ausprägung komplex vererbter Merkmale verschiedener Sorten vorhergesagt werden können. (Foto: HHU / V. Prigge)
Von Solanum tuberosum, der Kartoffel, sind weltweit mehrere Tausend unterschiedliche Sorten bekannt. Doch diese Vielfalt täuscht darüber hinweg, dass sie aufgrund verschiedener genetischer und biologischer Faktoren schwer durch klassische Züchtung verbessert werden kann. Dies liegt zum einen daran, dass die Kulturkartoffel tetraploid ist, ihr Erbgut also jeweils vier Chromosomensätze enthält; zum Vergleich: Der Mensch ist diploid und besitzt einen doppelten Chromosomensatz. Der Nachteil besteht bei der Kartoffel darin, dass an jedem Genort vier verschiedene Versionen, sog. Allele, vorliegen können. Dies macht es erheblich schwieriger, die leistungsfähigste Kombination von Allelen zu erstellen. Außerdem haben Kartoffeln einen – im Gegensatz zu anderen wichtigen Kulturpflanzen wie Mais, Weizen oder Gerste – geringen Vermehrungskoeffizienten, also eine geringere Zahl von Knollen, die pro Pflanze geerntet werden kann. Dies verlangsamt den Züchtungsfortschritt, da ökonomisch interessante Merkmale erst gegen Ende eines Züchtungszyklus erfasst werden können.
Prof. Dr. Benjamin Stich und Dr. Delphine Van Inghelandt vom Institut für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen der HHU koordinieren das Projekt PotatoTools. (Fotos: HHU / Privat)
Aufgrund der Bedeutung der Kartoffel sowohl für die Ernährung als auch für die Wirtschaft – Kartoffeln dienen unter anderem der Stärkeproduktion – ist es notwendig, spezielle neue Sorten zu züchten, die zum Beispiel resistent gegen Pflanzenkrankheiten sind, die man wandelnden Anbau- und Umweltbedingungen anpasst oder die einen höheren Nährstoffgehalt haben.
Das HHU-Team um Prof. Stich koordiniert das mit Bundesmitteln geförderte Projekt PotatoTools, bei dem Werkzeuge für die „Genomische Selektion“ (GS) bei Kartoffeln erforscht werden sollen. Mit den im Projekt entwickelten Methoden soll es möglich werden, das genetische Potential zukünftiger Sorten unter Einbezug von tausenden im Erbgut verteilten molekularen Markern vorherzusagen.
Um mittels GS gewünschte Eigenschaften erfolgreich selektieren zu können, fehlen bislang wichtige genomische Ressourcen. So gibt es noch keine Referenzgenomsequenz der Kulturkartoffel. Auch gibt es keine Möglichkeiten, um unterschiedliche Genotypen (der Genotyp umfasst die gesamte genetische Ausstattung eines individuellen Lebewesens) von Kartoffeln im Hochdurchsatzverfahren mittels sogenannter SNP-Arrays zu charakterisieren. Ebenfalls ist noch unklar, wie der Ablauf von Kartoffelzüchtungsprogrammen verändert werden muss, um die Vorteile der GS optimal zu nutzen. Alle diese offenen Fragen will das Projekt PotatoTools angehen. Am Ende sollen allgemein anwendbare Werkzeuge und Methoden entstehen.
Im Projekt arbeiten Forschungsgruppen des Instituts für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen der HHU und Unternehmen mit. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft fördert es über drei Jahre durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe. Das gesamte Projektvolumen beträgt rund 2,7 Millionen Euro, worin die Eigenanteile der beteiligten Unternehmen berücksichtigt sind.
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