Göttingen, Germany
October 8, 2019
Professor Tim Beissinger on a tractor during the planting phase of the experiment - Photo: Abiskar Gyawali
An international team of scientists led by the University of Goettingen has developed a new approach that enables researchers to more efficiently identify the genes that control plant traits. This method will enable plant breeders and scientists to develop more affordable, desirable, and sustainable plant varieties. The application will be most valuable for the fruit, vegetable and grain crops that not only end up on our dinner table, but are also critical for global food security and human nutrition. The research was published in BMC Plant Biology.
First author, Abiskar Gyawali, measuring the heights of plants in the field - Photo: Tim Beissinger
The new method is an extension of a tool known as GWA (Genome Wide Association). GWA studies use genetic sequencing technologies coupled with advanced statistics and computation to link differences in the genetic code with particular traits. When using GWA to study plants, researchers typically manage large sets of genetically identical plants. However, developing these sets of “inbred lines” is costly and time-consuming: it can take over six years of preparation before such a study can even begin. The new technique is modelled after an approach often used to study human DNA, in which DNA samples from thousands of individual people, who are certainly not identical, are compared.
White maize (white corn) on the cob as grown for the study - Photo: Tim Beissinger
The researchers wanted to discover whether this approach would be successful in plants. Since measurements of individual plants can be highly variable, the scientists developed a method that enabled them to combine the advantages of a GWA study with additional statistical analysis techniques. To test their idea, they investigated whether their combination of approaches could accurately detect genes involved in plant height, a trait that has been extensively studied in the scientific literature. The scientists planted four fields of an early variety of white maize (white corn) and measured the height of the plants. They identified three genes, from the potential 39,000 genes in the maize genome, which were controlling plant height. The effects of all three of these genes were supported by previous studies on other maize varieties. This showed that their method had worked.
Professor Tim Beissinger - Photo: Medhat Mahmoud
“Scientists usually have to measure huge numbers of genetically identical plants in order to have a powerful enough study for finding genes”, says Professor Timothy Beissinger, head of the Division of Plant Breeding Methodology at the University of Goettingen, “but we used a diverse maize population and showed that our approach was powerful without relying on identical plants at all”. Abiskar Gyawali, a University of Missouri (USA) PhD student who is the first author, went on to say, “This is great news for researchers interested in finding genes in crops where inbred lines are not available or are time-consuming to produce”.
Beissinger stated, “The exciting thing is that this study reveals the potential for our method to enable research in other food crops where research funding is not as high. Due to industry and government support, resources are already available to do large-scale studies in maize. But for scientists studying the countless vegetables, fruits, and grains that many communities rely on, funding for massive studies simply isn’t possible. This is a breakthrough which will enable cheap and quick identification of trait-gene associations to advance nutrition and sustainability in food crops world-wide.”
Original publication: Abiskar Gyawali et al, ‘Single-plant GWAS coupled with bulk segregant analysis allows rapid identification and corroboration of plant-height candidate SNPs’ BMC Plant Biology, DOI: 10.1186/s12870-019-2000-y.
Günstig wie Chips: Neue Gen-Entschlüsselung kann Welternährung verbessern - Forschungsteam unter Göttinger Leitung beschreibt Methode zur Identifizierung von Pflanzengenen
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen hat eine neue Methode entwickelt, um Gene, welche Pflanzenmerkmale steuern, effizienter zu identifizieren. Damit können auch Pflanzenzüchter kostengünstige und nachhaltige Pflanzensorten entwickeln, insbesondere Obst-, Gemüse- und Getreidekulturen. Diese landen nicht nur auf unserem Esstisch, sondern können auch die Lage der Welternährung verbessern. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift BMC Plant Biology veröffentlicht.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzten eine erweiterte Form des Tools namens GWA (Genome Wide Association). GWA-Studien verwenden genetische Sequenzierungstechnologien in Verbindung mit Statistiken und Berechnungen, um Unterschiede im genetischen Code mit bestimmten Merkmalen zu verbinden. Werden Pflanzen mit GWA untersucht, dann messen Forschende typischerweise viele Gruppen von genetisch identischen Pflanzen. Es ist jedoch kostspielig und zeitaufwendig, solche Gruppen von „Zwillings-Pflanzen“ zu entwickeln: Es kann mehr als sechs Jahre Vorbereitung dauern, bevor eine solche Studie überhaupt beginnen kann. Die neue Technik ist nach dem Vorbild eines oft verwendeten Ansatzes zur Untersuchung menschlicher DNA aufgebaut, bei dem DNA-Proben von Tausenden Individuen, die sicherlich nicht identisch sind, verglichen werden.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollten herausfinden, ob dieser Ansatz auch bei Pflanzen erfolgreich ist. Sie entwickelten ein Verfahren, welches die Vorteile einer GWA-Studie mit zusätzlichen statistischen Analyseverfahren kombiniert. Dann untersuchten sie, ob ihre Technik die Gene, welche für die Pflanzenhöhe verantwortlich sind, erkennen kann. Dafür pflanzte das Team vier Felder einer frühen Sorte von Zuckermais und maßen die Höhe der Pflanzen. Sie identifizierten drei Gene aus den potenziellen 39.000 Genen im Maisgenom, die die Pflanzenhöhe kontrollieren. Frühere Studien an anderen Maissorten bestätigten, dass es sich um die richtigen Gene handelt.
„Wissenschaftler müssen in der Regel eine große Anzahl genetisch identischer Pflanzen messen, um aussagekräftige Ergebnisse zu den entdeckten Genen zu haben", sagt Prof. Dr. Timothy Beissinger, Leiter der Abteilung Zuchtmethodik der Pflanze an der Universität Göttingen. „Wir verwendeten hingegen eine vielfältige Maispopulation und zeigten, dass unser Ansatz funktioniert, ohne auf identische Pflanzen zu setzen.“ Abiskar Gyawali, Doktorand der University of Missouri (USA) und Erstautor, sagt: „Dies ist eine gute Nachricht für Forscherinnen und Forscher, die daran interessiert sind, Gene in Pflanzenkulturen zu finden, in denen Inzuchtlinien nicht verfügbar oder zeitaufwendig zu produzieren sind.“
Beissinger sagt: „Das Spannende ist, dass diese Studie das Potenzial unserer Methode aufzeigt, um die zum Teil unterfinanzierte Forschung an anderen Nutzpflanzen zu ermöglichen. Durch die Unterstützung von Industrie und Regierung stehen bereits Ressourcen zur Verfügung, um groß angelegte Studien mit Mais durchzuführen. Aber für Wissenschaftler, die die unzähligen Gemüse-, Früchte- und Getreidesorten untersuchen, auf die viele Gemeinschaften angewiesen sind, ist die Finanzierung umfangreicher Studien einfach nicht möglich. Dies ist ein Durchbruch, der eine kostengünstige und schnelle Identifizierung von Gen-Merkmal-Verknüpfungen ermöglichen wird, um die weltweite Ernährung und einen nachhaltigen Anbau von Nahrungspflanzen zu verbessern."
Originalveröffentlichung: Abiskar Gyawali et al.. Single-plant GWAS coupled with bulk segregant analysis allows rapid identification and corroboration of plant-height candidate. SNPs’ BMC Plant Biology (2019). DOI: 10.1186/s12870-019-2000-y.
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