Wageningen, The Netherlands
July 6, 2021
Researchers at the hybrid potato breeding company Solynta and Wageningen University & Research have identified, cloned and characterized the gene for self-compatibility in potatoes called Sli (S-locus inhibitor). This discovery will have a profound impact on potato breeding.
With Sli defined, breeders can implement hybrid breeding which will allow for faster and focused rather than opportunistic breeding. This focused breeding can quickly bring new resilient and nutritious varieties to the market that will help make potato production become more sustainable. The result of the team’s molecular analysis of Sli has been published in the scientific journal Nature Communications.
The humble potato is a global crop coming third, after wheat and rice in terms of food production. The potato is also increasing in importance in the developing world due to its high nutritional value. Despite its familiarity, our cultivated potato has a surprisingly complex genome, making it very difficult to improve using traditional breeding techniques, with time spans of 10-15 years between the first cross and the final commercial cultivar. For this reason, over the last 100 years, improvements in key traits such as disease resistance, adaptation to climate change and yield, have been modest.
Hybrid breeding
Hybrid breeding –a non-GMO technique – aided to quickly improve important traits in crops like maize, tomatoes, sorghum, cabbage, and sugar beet. The technique could also help to quickly develop new potato varieties that are adapted to local conditions such as drought or flooding.
Another big advantage is the fact that hybrid potato varieties grow from true seeds instead of the traditional bulky seed tubers. These seeds are disease free and need less chemical protection after they have been planted in the field. Also, rather than bulky seed tubers, the seeds can be more easily stored and transported to potato growers. Hybrid potato breeding could therefore contribute to food security and a more sustainable food supply in large parts of the world.
Sli gene
Hybrid potato breeding is based on the cross-breeding of diploid potatoes, in which every cell contains two complete sets of chromosomes (one from each parent) rather than our cultivated potato, which complex genome consists of four sets of chromosomes. In order to actually capitalize on the opportunities of hybrid potato breeding it was crucial to identify, clone and characterize the key gene for self-compatibility in potato called Sli (S-locus inhibotor), says Professor Richard Visser of the Plant Breeding group of Wageningen University & Research (WUR).
“An important element of hybrid breeding is the fixation of traits of the two parental lines through inbreeding. In the course of evolution many plants including almost all diploid potatoes have prevented inbreeding by becoming self-incompatible, but we are now able to overcome this through the Sli gene in potato. Self-compatibility as such and also the location on chromosome 12 were already known for some time, but so far the gene encoding this trait was unknown and had not been isolated and characterised. Through genetic analysis and genome sequencing we’ve succeeded in doing this. This now gives us the key to fast and effective breeding of new diploid potatoes.”
Ernst-Jan Eggers, Genetics Researcher for Solynta explains the company is “already using the Sli gene by crossing self-incompatible diploid lines with a Sli gene donor. With these new insights, we may be able to discover new variants of Sli that could improve our ability to select for improved taste, water use efficiency, disease resistances and other characteristics for our ever-changing world. This knowledge will deepen our understanding of self-incompatibility systems, which is important from a fundamental scientific perspective, but may have real world implications in the breeding of not just potato, but also other Solanaceous crops such as tomato, eggplant and pepper.”
Nature communications
The work of Solynta and WUR has been described in the scientific journal Nature Communications where the authors further describe how the discovery will profoundly impact in the speed of breeding and focus of potato breeding.
Solynta and WUR have worked together extensively in the past and will continue to build on their successes. This discovery is the most recent in their successful public-private collaboration. Now that the self-incompatibility has been solved together, the teams can aim their research interests at solving other issues which will leverage their unique skills. Ultimately the collaboration will provide improved potatoes that use less chemicals and are better adapted to climate change.
Snellere aardappelveredeling dankzij identificatie sleutelgen ongeslachtelijke voorplanting
Onderzoekers van veredelingsbedrijf Solynta en Wageningen University & Research hebben het sleutelgen voor zelfbevruchting (zelfcompatibiliteit) in diploïde aardappelen geïdentificeerd, gekloneerd en gekarakteriseerd. Deze ontdekking maakt het mogelijk aardappelplanten te bevruchten met hun eigen stuifmeel.
Nu het Sli-gen (S-locus inhibitor) is geïdentificeerd, kunnen veredelaars met behulp van hybride veredelingstechnieken, sneller en gerichter veredelen dan met traditionele veredeling mogelijk is. Hierdoor kunnen snel nieuwe veerkrachtige en voedzame rassen op de markt gebracht worden, die bijdragen aan een duurzamere aardappelteelt. Het resultaat van de moleculaire analyse van Sli is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Aardappel: verrassend complex
De aardappel is na tarwe en rijst wereldwijd het meest geproduceerde voedselgewas. Ook in ontwikkelingslanden wordt het gewas vanwege zijn voedingswaarde steeds belangrijker. Maar in tegenstelling tot zijn alledaagsheid, hebben de gecultiveerde aardappelen die nu geteeld worden een verrassend complex genoom.
Hierdoor zijn aardappelen met traditionele veredelingstechnieken erg moeilijk te verbeteren; tussen de eerste kruising van twee aardappelplanten en het op de markt brengen van het uiteindelijke commerciële ras zit al snel 10 tot 15 jaar. Daarom is in de afgelopen eeuw slechts bescheiden vooruitgang geboekt op het gebied van het inkruisen van genetische kenmerken die bijdragen aan betere ziekteresistentie, aanpassing aan het veranderende klimaat en hogere opbrengst.
Hybride veredeling
Hybride veredeling kan hier verandering in brengen. De techniek – die losstaat van genetische modificatie – heeft al bijgedragen aan een snelle verbetering van gewassen zoals maïs, tomaat, sorghum, kool en suikerbiet, en zou ook kunnen helpen om snel nieuwe aardappelrassen te ontwikkelen die zijn aangepast aan plaatselijke omstandigheden zoals droogte of juist hevige regenval.
Een ander groot voordeel is het feit dat hybride aardappelrassen uit zaad groeien in plaats van uit de traditionele pootaardappelen. Het zaad is bovendien ziektevrij en heeft minder chemische bescherming nodig na het inzaaien van de akker. Ook kan zaad makkelijker worden opgeslagen en naar aardappeltelers worden vervoerd, omdat het veel minder ruimte inneemt dan pootgoed. Hybride aardappelveredeling kan daardoor een belangrijke bijdrage leveren aan de voedselzekerheid en een duurzamere voedselvoorziening in grote delen van de wereld.
Sli-gen
Het veredelen van hybride aardappelen is gebaseerd op het kruisen van diploïde aardappelen. waarvan elke cel twee volledige sets chromosomen bevat (één van elke ouder) in plaats van onze gecultiveerde aardappel, waarvan het complexe genoom uit vier sets chromosomen (tetraploïde) bestaat. In tegenstelling tot gekruiste tetraploïde aardappelen, hebben alle nakomelingen van gekruiste diploïde aardappelen in de hybride veredeling exact dezelfde kenmerken als hun ouders. Dit maakt snellere en gerichtere veredeling mogelijk.
“Om de mogelijkheden van hybride aardappelveredeling ten volle te kunnen benutten, moesten we eerst nog het sleutelgen voor zelfcompatibiliteit in de aardappel, Sli (S-locus inhibotor), identificeren, klonen en karakteriseren”, vertelt hoogleraar Plantenveredeling Richard Visser van Wageningen University & Research (WUR).
“Een belangrijk element van hybride veredeling is namelijk het fixeren van gewenste eigenschappen van de twee ouderlijnen door middel van inteelt. In de loop van de evolutie hebben veel planten, waaronder vrijwel alle diploïde aardappelsoorten, inteelt voorkomen door te zorgen dat ze zichzelf niet konden bevruchten, oftewel door zelfincompatibel te worden. Dat kunnen wij vanaf nu ondervangen met het Sli-gen.”
“De mogelijkheid van zelfcompatibiliteit in diploïde aardappelen als zodanig en ook de locatie op chromosoom 12 waren al enige tijd bekend, maar vooralsnog was het gen dat voor deze eigenschap codeerde onbekend en was het nog niet geïsoleerd en gekarakteriseerd. Dankzij genetische analyse en genoomsequencing is ons dat nu gelukt. Met het Sli-gen hebben we dus de sleutel in handen voor snelle en effectieve veredeling van nieuwe diploïde aardappelen.”
Samenwerking
Ernst-Jan Eggers, geneticus bij Solynta, licht toe: ‘Ons bedrijf gebruikte het Sli-gen al door zelfincompatibele diploïde lijnen te kruisen met een Sli-gendonor. Deze nieuwe inzichten helpen ons hopelijk ook om nieuwe varianten van het Sli-gen te ontdekken die ons helpen om te selecteren op verbeterde smaak, efficiënt watergebruik, ziekteresistentie en andere kenmerken die van belang zijn in onze voortdurend veranderende wereld. Met deze kennis komen we ook meer te weten over zelfincompatibiliteitssystemen. Dat is belangrijk vanuit fundamenteel wetenschappelijk perspectief en het kan ook een flinke duw in de rug betekenen voor de veredeling van andere gewassen uit dezelfde familie als de aardappel, zoals tomaat, aubergine en paprika.”
Solynta en WUR werken al langer samen. Nu ze gezamenlijk het probleem van zelfincompatibiliteit hebben opgelost, zullen ze zich richten op andere vraagstukken op de weg naar aardappelen die minder gewasbeschermingsmiddelen nodig hebben en beter bestand zijn tegen de gevolgen van klimaatverandering.
Topics
Species
