Gatersleben, Germany
June 28, 2019
Scientists from the IPK have explored, within a perspective paper, the upcoming challenges and possibilities of the future of gene banks. They emphasise that the advancement of gene banks into bio-digital resource centres, which collate the germplasm as well as the molecular data of the samples, would be beneficial to scientists, plant breeders and society alike.
Akzessionen in der bundeszentralen Ex-situ-Genbank für landwirtschaftliche und gartenbauliche Kulturpflanzen in Gatersleben.
Regina Devrient / IPK Gatersleben
The preservation of plant biodiversity is the task of the roughly 1,750 gene banks which are distributed around the world. So far, they store plant samples, and sometimes additional phenotypic or genetic information, of around 7,4 million accessions of plant species in total. It is expected that with the facilitated access to improved, quicker and cheaper sequencing and other omics technologies, the number of well-characterised accessions and the amount of detailed information that needs to be stored along with the biological material will be growing rapidly and continuously. A team of scientists from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben has now looked ahead into the upcoming challenges and possibilities of the future of gene banks by publishing a perspective paper in Nature Genetics.
In the early-to-mid twentieth century, it became increasingly apparent that crop landraces were slowly being replaced by modern crop varieties and were in danger of disappearing. In order to prevent loss of genetic diversity and biodiversity, the first gene banks were established, with the mission to preserve these plant genetic resources. Nowadays, gene banks function as biorepositories and safeguards of plant biodiversity but most importantly as libraries which turn the genetic plant information and plant material into a freely accessible but nonetheless valuable resource. As such, scientists, plant breeders or even anybody from around the world can request and use the data stored within more than 1,750 gene banks around the world for research or plant breeding purposes.
The Gene Bank of the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben currently holds one of the world's most comprehensive collections of crop plants and their wild relatives, collating a total of 151,002 accessions from 2,933 species and 776 genera. The majority of the plant germplasm samples are stored as dry seed at -18°C, whilst accessions which are propagated vegetatively are permanently cultivated in the field (ex situ) or preserved in liquid Nitrogen at -196°C. The online portal of the IPK gene bank allows users to view and sift through the stored plant accessions and their corresponding "passport data", as well as to request plant material on a non-commercial scale. A new perspective paper authored by Dr. Martin Mascher and colleagues of the IPK now examines the current and upcoming challenges for gene banks but also the opportunities for their further advancement.
The scientists identified three major challenges for gene banks which will need attention. Two are caused by the basic demands of managing tens of thousands of seed lots, namely the tracking of the identity of accessions, and the need to avoid unnecessary duplications within and between gene banks. The third challenge is that of maintaining the genetic integrity of accessions, due to the inherent drawbacks of using ex situ conservation, such as differential survival, drift and genetic erosion in storage and regeneration.
However, the authors suggest that a stronger genomic-driven approach towards gene banks might help when taking on these challenges. For example, traditionally, the "passport data" of the gene bank material describe the taxonomy and provenance of accessions. By adding single-nucleotide polymorphisms (SNPs) as defining characteristics of an accession, this genotypic information could serve as molecular passport data to complement and correct traditional passport records, as well as assist with the cleansing and prevention of duplicates and improve the quality and integrity of the collections.
By implementing the shift towards bioinformatics and big data analytics in plant sciences, traditional gene banks, which focus on the preservation of germplasm collections, will be able to transform into bio-digital resource centres, which combine the storage and valorisation of plant materials with their genomic and molecular characterisation.
Current funding scenarios of gene banks do not yet allow for the systematic generating of molecular passport data for each submitted plant sample at gene banks. However, first steps into the direction of high-throughput genotyping of entire collections have already been taken. This was previously showcased by an international research consortium led by the IPK, which characterised a world collection of more than 22,000 barley varieties on a molecular level through genotyping-by-sequencing. Some of the authors of the perspective paper had also been involved in this case-study and had contributed to the creation of the web-information-portal BRIDGE as a result. BRIDGE, short for "Biodiversity informatics to bridge the gap from genome information to educated utilization of genetic diversity hosted in gene banks", is a data storage for the attained genomic barley information which links to the phenotypic information collated at the IPK hosted Federal Ex situ Gene Bank for Agricultural and Horticultural Crop Species.
Whilst BRIDGE is already paving the way towards evolving the Gaterslebener Gene Bank into a "one stop shop for facilitated and informed utilisation of crop plant biodiversity", international collaborations, such as the organisation DivSeek, are building the international framework for enabling gene banks, plant breeders and researchers globally to more efficiently process and mobilise plant genetic diversity, thus starting to bridge the gaps between bioinformaticians, geneticists and gene bank curators. Hence, a worldwide network of bio-digital resource centres, sharing data freely and thus help fostering research progress in plant science and plant breeding may become a reality in the near future.
Summary:
- Gene banks are tasked with preserving the genetic information of plants throughout the world, with a vision for future crop improvement and genetic research.
- Amongst the 1,750 gene banks worldwide, the Federal Ex situ Gene Bank for Agricultural and Horticultural Crop Species at the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben currently holds one of the world's most comprehensive collections of crop plants and their wild relatives, holding a total of 151,002 accessions from 2,933 species and 776 genera.
- Scientists from the IPK have explored, within a perspective paper, the upcoming challenges and possibilities of the future of gene banks. They emphasise that the advancement of gene banks into bio-digital resource centres, which collate the germplasm as well as the molecular data of the samples, would be beneficial to scientists, plant breeders and society alike.
- The evolution of cost-efficient and faster sequencing technology, open data, and international collaborations shine a bright light for the future development of bio-digital resource centres globally.
- Published in Nature Genetics
https://doi.org/10.1038/s41588-019-0443-6
Bioinformatik und die Zukunft von Genbanken – Der Wandel von Saatgut-Sammlungen zu bio-digitalen Ressourcenzentren
Wissenschaftler des IPK haben in einem Perspektivenessay die bevorstehenden Herausforderungen und Möglichkeiten für die Zukunft von Genbanken betrachtet. Sie betonen, dass die Entwicklung der Genbanken zu bio-digitalen Ressourcenzentren, welche Saatgut sowie die molekularen Daten der eingelagerten Proben sammeln, gleichermaßen von großem Vorteil für Wissenschaftler, Pflanzenzüchter und die gesamte Gesellschaft wäre.
„Die Erhaltung der Pflanzenbiodiversität“, so lautet die Mission von Pflanzen-Genbanken. Weltweit gibt es ca. 1.750 solcher Sammlungen. Bislang werden in ihnen vornehmlich Saatgutmuster, und oftmals zusätzliche phänotypische oder genetische Information, von insgesamt ca. 7.4 Millionen Pflanzenarten aufbewahrt. Es ist zu erwarten, dass die Anzahl der gut charakterisierten Akzessionen und die Menge an detaillierten Informationen, die neben dem biologischen Material aufbewahrt werden muss, mit dem erleichterten Zugang zu besseren, schnelleren und billigeren Sequenzierungs- und anderen „Omics“-Technologien, rasant und kontinuierlich ansteigen wird. Eine Gruppe Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben hat nun einen Blick in die mögliche Zukunft von Genbanken geworfen und die bevorstehenden Herausforderungen und Chancen in einem Perspektivenessay in Nature Genetics diskutiert.
Seit Anfang des 20. Jahrhunderts sind Landrassen unserer Kulturpflanzen in vielen Regionen der Welt nach und nach durch modern gezüchtete Pflanzensorten ersetzt wurden, sodass die Kulturpflanzendiversität der Vergangenheit zu verschwinden droht. Um diesem Trend zu begegnen, wurden die ersten Genbanken mit der Aufgabe gegründet, diese pflanzengenetischen Ressourcen zu erhalten und den Verlust von genetischer Diversität und Biodiversität vorzubeugen. Heutzutage fungieren Genbanken als Archive, um pflanzengenetische Informationen und das entsprechende Pflanzenmaterial als wertvolle Ressourcen frei zugänglich zu machen. So können Wissenschaftler, Pflanzenzüchter und auch interessierte Laien aus aller Welt die Daten, welche in den mehr als 1.750 Genbanken weltweit gelagert werden, anfordern und für Forschung, Pflanzenzüchtung oder eigene Studien nutzen.
Die Genbank des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben hält zurzeit eine der weltweit umfassendsten Sammlungen von Kulturpflanzen und deren wild-verwandter Arten. So werden in Gatersleben 151.002 Akzessionen aus 2.933 Arten und 776 Gattungen aufbewahrt. Der Großteil der pflanzlichen Muster wird als getrocknetes Saatgut bei -18 °C gelagert. Hingegen werden Akzessionen, welche vegetativ vermehrt werden, dauerhaft im Feld (ex situ) kultiviert oder in flüssigem Stickstoff bei -196 °C konserviert. Auf dem Online-Portal der IPK Genbank können Interessierte die gelagerten Pflanzenmuster und deren zugehörige „Passdaten“ sichten und durchsuchen sowie Pflanzenmaterial in einem nichtkommerziellen Umfang anfragen. In einem neuen Perspektivenpapier betrachten Dr. Martin Mascher und Kollegen am IPK nun die Herausforderungen für Genbanken, aber auch die Chancen für deren Weiterentwicklung.
Zwei der drei wichtigsten Herausforderungen, welche die Wissenschaftler identifizierten, entstehen aus Konsequenzen der Verwaltung zehntausender Saatgutproben. So stehen Genbanken vor der Problematik, die Identität der verschiedenen Akzessionen zu verfolgen sowie Duplikationen innerhalb und zwischen verschiedenen Genbanken herauszufiltern und zu vermeiden. Des Weiteren bringt die Praxis der ex situ Konservierung inhärente Nachteile mit sich, die zu differenziellem Überleben und dadurch zu genetischer Drift sowie Erosion während der Lagerung führen können, und somit die Erhaltung der genetischen Integrität von Akzessionen bedroht. Ein zunehmend durch die Anwendung von „Genomik“ getriebener Arbeitsansatz in Genbanken würde jedoch bei der Bewältigung dieser Herausforderungen helfen, wie in dem von den Autoren geschilderten Beispiel der „Passdaten“ von Genbank-Mustern exemplarisch gezeigt. Diese „Passdaten“ beinhalten üblicherweise die Taxonomie und Herkunft der Akzessionen. Durch das Hinzufügen von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) als „Fingerabdruck“ der Akzessionen, könnten diese genotypischen Informationen als molekulare Passdaten helfen, die traditionellen Passeinträge zu komplementieren oder auch zu korrigieren. Zudem würde die zusätzliche Information zur Identifizierung von Duplikaten beitragen und die Qualität und Integrität der Sammlungen verbessern. Die Wissenschaftler beschreiben, dass es durch die Wende in Richtung Bioinformatik und Big-Data-Analytik in den Pflanzenwissenschaften nun die Möglichkeit gibt, traditionelle Genbanken, welche sich auf den Erhalt von Saatgutsammlungen fokussieren, in bio-digitale Ressourcenzentren umzuwandeln und somit die Lagerung von Saatgut mit deren zugehöriger genomischer und molekularer Charakterisierung zu kombinieren.
Noch erlaubt das aktuelle Finanzierungsszenario von Genbanken keine systematische Generierung von molekularen Passdaten für jede eingelagerte Pflanzenprobe. Jedoch wurden die ersten Schritte in Richtung einer Hochdurchsatz-Genotypisierung ganzer Sammlungen schon absolviert. Tatsächlich charakterisierte ein vom IPK geführtes internationales Forschungskonsortium in einer Fallstudie bereits eine globale Sammlung von mehr als 22.000 Gerste-Mustern auf molekularer Ebene durch Genotyping-by-Sequencing. Zudem entstand infolge dieser Studie das Web-Auskunftsportal BRIDGE. Auf BRIDGE, welches für „Biodiversity informatics to bridge the gap from genome information to educated utilization of genetic diversity hosted in gene banks“ steht, werden die gewonnenen genomischen Informationen der verschiedenen Gerstensorten gespeichert und zugleich mit ihren zugehörigen phänotypischen Informationen verbunden, welche in der bundeszentralen Ex-situ-Genbank für landwirtschaftliche und gartenbauliche Kulturpflanzen am IPK aufbewahrt werden.
Während BRIDGE bereits den Weg für die Entwicklung der Gaterslebener Genbank in eine „zentrale Anlaufstelle für eine erleichterte und fachkundige Benutzung von Kulturpflanzen-Biodiversität“ ebnet, arbeiten internationale Kollaborationen, wie die Organisation „DivSeek“, schon seit Längerem an Strukturen, welche es Genbanken, Pflanzenzüchtern und Forschern weltweit ermöglichen, genetische Pflanzendiversität effektiv aufzubereiten und einzusetzen. So könnte, wie von den Autoren beschrieben, ein weltweites Netzwerk aus bio-digitalen Ressourcenzentren, welche Daten frei austauschen und somit Forschungsfortschritte in den Pflanzenwissenschaften und in der Pflanzenzucht fördern, in nicht allzu ferner Zukunft Realität werden.
Zusammenfassung:
- Genbanken (Saatgutbanken) dienen der Aufbewahrung genetischer Reproduktionseinheiten (Samen, Meristeme, vegetative Klone) von Pflanzen aus der ganzen Welt. Die gelagerten Ressourcen können so in der Zukunft für die Forschung an und die Verbesserung von Kulturpflanzen verwendet werden.
- Von den weltweit 1.750 Genbanken unterhält die bundeszentrale Ex-situ-Genbank für landwirtschaftliche und gartenbauliche Kulturpflanzen am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben zurzeit die umfassendste Sammlung von Kulturpflanzen und deren wild-verwandten Arten. So werden in Gatersleben 151.002 Muster aus 2.933 Arten und 776 Gattungen aufbewahrt.
- Wissenschaftler des IPK haben in einem Perspektivenessay die bevorstehenden Herausforderungen und Möglichkeiten für die Zukunft von Genbanken betrachtet. Sie betonen, dass die Entwicklung der Genbanken zu bio-digitalen Ressourcenzentren, welche Saatgut sowie die molekularen Daten der eingelagerten Proben sammeln, gleichermaßen von großem Vorteil für Wissenschaftler, Pflanzenzüchter und die gesamte Gesellschaft wäre.
- Die Entwicklung von kosteneffizienten und schnelleren Sequenzierungstechnologien, Open Data und internationale Kollaborationen zeichnen ein positives Bild für die zukünftige weltweite Entwicklung von bio-digitalen Ressourcenzentren.
- Veröffentlicht in Nature Genetics.
DOI: 10.1038/s41588-019-0443-6
Originalpublikation:
Martin Mascher et al (2019) “Genebank genomics bridges the gap between the conservation of crop diversity and plant breeding”, Nature Genetics, DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-019-0443-6
Topics
Species
