Germany
August 2, 2019
Seed multiplication of genetic resources of the Gene Bank. Photo: Christoph Martin / IPK Gatersleben
- The Federal Ex situ Gene Bank hosted by the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben ranks among the largest collections of crop accessions worldwide.
- Researchers from the IPK in Gatersleben have been evaluating and publishing the historical phenotypical crop data which the Gene Bank has generated over the last 70 years.
- By developing a blueprint strategy for the leveraging of information from non-orthogonal datasets, the researchers are driving the transformation of the gene bank into a bio-digital resource centre.
- The published ready-to-use processed phenotypic data in the form of ‘Best Linear Unbiased Estimations’ (BLUEs) complements the passport information of a large part of the accessions stored at the gene bank and has the potential to stimulate progress within plant breeding and research.
- Publication of a comprehensive set of historical phenotypic data of wheat in Scientific Data.
The Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben has been promoting the transition of gene banks into bio-digital resource centres – the aim is the preparation and collation of the phenotypic and genetic information for all stored accessions. As an important step for the further development of the Federal Ex situ Gene Bank, which is being hosted by the IPK in Gatersleben, researchers have been evaluating the historical data which has been accrued by the gene bank over the last 70 years. Not only is the resulting published data an important new resource for researchers and plant breeders, the publications also provide blueprint strategies for the preparation of correlated datasets from which other gene banks and research facilities will be able to draw.
Gene banks have long outgrown their role as mere “storage facilities” of different plant accessions. With the increasing need for new and improved crop species due to climate change and the continuously growing world population, their importance as providers of novel phenotypic and genetic resources for plant breeders and researchers is becoming clearer. The steady progression of omics-technologies and the efforts of researchers worldwide have already started driving the evolution of the gene banks into the envisioned all-encompassing bio-digital resource centres. A group of scientists from the IPK in Gatersleben has been supporting the evolution of the Federal Ex situ Gene Bank by analysing the historical phenotypic data of different crops which was compiled over the last seven decades and making the data available to the public in a highly structured manner.
Analysing large amounts of phenotypic data is no small feat, considering that the gene bank hosted by the IPK with its collection of roughly 151,000 accessions counts as one of the ten largest gene banks worldwide. In addition, about 5% of the collection need to be regrown annually to regenerate the seeds. Due to this, further questions arise such as how to deal with non-orthogonal experimental designs, changes in agronomic practices or in weather patterns? And how to assess the quality of data which has been collected over such long periods of time and with different methods? Over a series of papers, the IPK researchers led by Prof. Dr. Jochen Reif have been examining and finding solutions to these challenges.
Focusing on the agronomic traits flowering time, plant height, and thousand grain weight, the scientists developed statistical models with which they were able to leverage maximal information from the available datasets. Employing innovative approaches for data analysis (for further reading see their 2018 Frontiers publication), they established an outlier corrected dataset as well as ready-to-use processed phenotypic data in the form of ‘Best Linear Unbiased Estimations’ (BLUEs). The BLUEs data now complement the passport information of a large number of accessions stored at the Gene Bank and allows the direct comparison of accessions across the different regeneration years.
The scientists had previously processed the historical data of the majority of the barley accessions stored at the Ex situ Gene Bank. A new paper, published in “Scientific Data”, now sheds new light on the phenotypic data of 12,754 spring and winter wheat accessions whose seeds have been stored and continuously regenerated at the Gene Bank over the last 70 years.
Even though the historical data behind barley and wheat is now being prepared for further use by plant researchers and breeders, there is still plenty of phenotypic data for different accessions but also for different crops left – as well at the Federal Ex situ Gene Bank but also at the other gene banks worldwide. The data publications by the IPK researchers showcase methodologies which can be adapted for such further data evaluation-projects.
And whilst their results may stimulate new avenues for barley and wheat research and breeding, they also show how much potential and knowledge can be hidden away in seemingly dusty records - once the correct methods to unlock the hidden data have been found.
Originalpublication:
Norman Philipp et al. (2019) “Historical phenotypic data from seven decades of seed regeneration in a wheat ex situ collection”, Scientific Data, DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-019-0146-y
Erkenntnisse aus historischen Daten – Das Auswerten von 70 Jahren Saatgutregeneration
- Die bundeszentrale Ex-situ-Genbank des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben ist eine der zehn größten Kulturpflanzen-Sammlungen der Welt.
- Forscher des IPK sind dabei, die historischen phänotypischen Daten aufzuarbeiten und für die heutige Forschung und Züchtung nutzbar zu machen, welche im Verlauf der letzten 70 Jahre beim Erhalt der in der Genbank gelagerten Muster entstanden sind.
- Mit der Entwicklung neuer Strategien für die Auswertung solcher „nicht-orthogonalen“ Datensätze von historischen Ereignissen unterstützen die Forscher die Weiterentwicklung der Genbank zu einem bio-digitalen Ressourcenzentrum.
- Die bisherigen, als „Passport“-Daten bezeichneten, Informationen der in der Genbank gelagerten Muster werden durch die historischen „BLUEs“ Daten (Best Linear Unbiased Estimations, in etwa „beste lineare verzerrungsfreie Schätzung) ergänzt.
- In einer Serie von Publikationen wurden die für die Forschung und Pflanzenzüchtung wichtigen historischen Informationen veröffentlicht. Eine aktuelle Publikation in „Scientific Data“ fasst die Ergebnisse für eine der wichtigsten Kulturpflanzen, für Weizen zusammen.
Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben setzt sich seit Längerem für den Wandel von Genbanken in bio-digitale Ressourcenzentren ein – Ziel ist die Erfassung, Aufarbeitung und Freigabe der phänotypischen und genetischen Informationen aller dauerhaft gelagerten Muster (Akzessionen). Wissenschaftler des IPK sind dabei, die historischen Daten auszuwerten, welche über die letzten 70 Jahre in der bundeszentralen Ex-situ-Genbank erzeugt wurden. Für Pflanzenzüchter und -forscher sind die veröffentlichten Daten wertvolle Ressourcen. Forschende weltweit können die in den Datenpublikationen beschriebenen Strategien zur Auswertung historischer Datensätze für ihre eigene Arbeit übernehmen und weiterentwickeln.
Ursprünglich als einfache Archive für Pflanzenmaterial angedacht, erfüllen Genbanken heutzutage schon längst mehr als diese einst geplante Funktion. Mit dem Klimawandel und der größer werdenden Weltbevölkerung steigt der Bedarf nach neuen, verbesserten Kulturpflanzensorten. Damit wächst die Rolle und Bedeutung von Genbanken als Anbieter phänotypischer und genetischer Vielfalt für die Forschung und Pflanzenzucht. Die stetige Weiterentwicklung von „Omic“-Technologien, die universelle Erfassung molekularer Eigenschaften, begleitet den Wandel von Genbanken zu bio-digitalen Ressourcenzentren. Eine Gruppe von Forschern am IPK unterstützt die Weiterentwicklung der bundeszentralen Ex-situ-
Genbank in Gatersleben, indem sie Strategien und Methoden entwickelt, mit denen historische phänotypische Datensätze unterschiedlicher Kulturpflanzen, welche über die letzten 70 Jahre in der Genbank entstanden sind, strukturiert analysiert und als wichtige Informationen für die Nutzung der Sammlung zur Verfügung stellt.
Die Sammlung der bundeszentralen Ex-situ-Genbank umfasst ca. 151.000 Akzessionen und zählt damit zu einer der zehn größten Genbanken der Welt. Allein die schiere Menge an phänotypischen Daten, die im kontinuierlich ablaufenden Erhaltungsanbau gesammelt werden, macht die Auswertung zu einer beachtlichen Aufgabe. Ungefähr fünf Prozent der Sammlung muss jedes Jahr für die Regeneration des Saatgutes angebaut und vermehrt werden. Andere Kulturpflanzen, zum Beispiel die besser lagerbaren Getreide, etwa alle vierzig Jahre. Wie kann eine strukturierte Auswertung solcher nicht-orthogonalen Versuchsanordnungen mit veränderten landwirtschaftlichen Praktiken oder wechselnden Witterungsbedingungen umgehen? Gibt es Möglichkeiten, die Qualität solcher historisch gewachsenen Datensätze zu beurteilen, wenn diese über mehrere Jahrzehnte mit unterschiedlichen Methoden aufgezeichnet wurden? In einer Serie von Veröffentlichung haben die Forscher vom IPK unter der Leitung von Prof. Dr. Jochen Reif sich diesen Fragen gestellt und Antworten gefunden.
Mit Fokus auf die agronomischen Merkmale Blütezeit, Pflanzenhöhe und Tausendkorngewicht entwickelten die Wissenschaftler statistische Modelle für die Verarbeitung der Informationen in den verfügbaren Datensätzen. Durch die Verwendung innovativer Ansätze der Datenanalyse (welche in ihrer 2018 Frontiers Veröffentlichung beschrieben werden), erstellten sie einen von sogenannten „Ausreißern“ bereinigten Datensatz. Die phänotypischen Daten wurden als „Best Linear Unbiased Estimations“ (BLUEs), in etwa „beste lineare verzerrungsfreie Schätzung“, gebrauchsfertig aufbereitet und strukturiert digital abgelegt. Damit ergänzen die BLUEs-Daten die bisherigen Passport-Informationen der in Genbank gelagerten Akzessionen. Ein direkter Vergleich der Akzessionen über die verschiedenen Jahre im Erhaltungsanbau der Genbank wird erstmals möglich.
Die Forscher hatten zuvor einen Großteil der historischen Daten der in der Ex-situ-Genbank gelagerten Gerstenakzessionen aufgearbeitet. Eine neue Veröffentlichung im Journal „Scientific Data“ ermöglicht erstmals die Einbeziehung und Analyse der phänotypischen Daten von insgesamt 12.754 Sommer- und Winterweizenakzessionen, welche in den letzten 70 Jahren in der Genbank gelagert und kontinuierlich regeneriert wurden.
Pflanzenforscher und Züchter können nun die aufbereiteten historischen Daten nutzen, um ihre Arbeit voranzutreiben. Gleichzeitig werden die Wissenschaftler am IPK ihre Analysen auf weitere phänotypische Datensätze von Akzessionen und Pflanzenarten in der Gaterslebener aber auch in anderen Genbanken weltweit ausdehnen. Die in den Datenpublikationen der IPK-Forscher vorgestellten neue Methoden und Strategien stehen Forschenden in aller Welt zur Verfügung und können für weitere Datenaufbereitungsprojekte angepasst werden. Die Arbeiten zeigen, dass in vordergründig „verstaubten“ Aufzeichnungen große Potentiale und umfangreiches Wissen für die aktuelle Forschung liegen.
Originalpublikation:
Norman Philipp et al. (2019) “Historical phenotypic data from seven decades of seed regeneration in a wheat ex situ collection”, Scientific Data, DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-019-0146-y
Topics
Species
