Neue Wege in der Pflanzenzüchtung:

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1 Neue Wege in der Pflanzenzüchtung Neue Wege in der Pflanzenzüchtung: Anwendung von Informationen aus der pflanzlichen Genomanalyse zur Marker- gestützten Kreuzung und Selektion

2 Bedeutung der Forschung an Pflanzen (Züchtungs-)Forschung an Pflanzen! Pflanzen sind die vorherrschende Lebensform auf der Erde: 99% der Gesamtmasse aller Lebewesen entfällt auf Pflanzen Pflanzen produzieren 170 Milliarden Tonnen Biomasse (TM) pro Jahr und fixieren Sonnenenergie mit hohem Wirkungsgrad Pflanzen bilden als primärer Nahrunglieferant die Grundlage sämtlichen tierischen und menschlichen Lebens - Energie (Kohlenhydrate, Fette, O 2 ) - Grundstoffe für den Körperaufbau (Aminosäuren, Fettsäuren) - Vitamine etc. Pflanzen liefern - Arzneimittel, Geschmacks- und Geruchsstoffe, Farbstoffe - Rohstoffe für Kleidung (z.b. Baumwolle) - Baustoffe (z.b. Holz)

3 Bedeutung leistungsfähiger Kulturpflanzen Durch Pflanzen zu deckende menschliche Bedürfnisse: ausreichend Nahrung

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5 Source: FAO

6 Durch Pflanzen zu deckende menschliche Bedürfnisse: ausreichend Nahrung Bedeutung leistungsfähiger Kulturpflanzen

7 Bedeutung leistungsfähiger Kulturpflanzen Durch Pflanzen zu deckende menschliche Bedürfnisse: Nahrungsmittel (landwirtschaftliche Produkte) ) in ausreichender Menge und in hoher Qualität; ; d.h. mit günstiger Zusammensetzung bzgl. - Grundnährstoffen (Kohlenhydrate, Fette, Aminosäuren) - Vitaminen, Mineralien, Probiotika,, etc. - Aromastoffen - Giftstoffen, Allergenen, Bitterstoffen,, etc. andere Produkte auf pflanzlicher Basis - Pharmaceutica - Duftstoffe - Rohstoffe für die industrielle Nutzung (Holz, Zellulose, Fasern,, Stärke,...) - (Ausgangsstoffe( für) Feinchemikalien

8 Bedeutung leistungsfähiger Kulturpflanzen Menschliche Bedürfnisse: nachhaltige landwirtschaftliche Produktion - Schonung von Ressourcen (e.g. Dünger, Wasser, Anbaufläche,,...) - Schutz der Umwelt (Erhaltung biologischer Vielfalt und intakter Ökosysteme) landwirtschaftliche Produktion mit begrenzten Kosten Wir (Menschen) haben traditionelle Bedürfnisse (nachhaltige Produktion ausreichender und qualitativ hochwertiger Nahrung) und neuartige Ansprüche (neue Produkte als erneuerbare Ressourcen), die durch Pflanzen gedeckt werden müssen.

9 Leistungen der Kulturpflanzen: Einschränkungen durch die Umwelt

10 Leistungen der Kulturpflanzen: Einschränkungen durch die Umwelt

11 Bedeutung der Pflanzenzüchtung Pflanzen müssen unter permanent wechselnden Umweltbedingungen produktiv sein! Wir müssen unsere Kulturpflanzen ständig verbessern und weiterentwickeln! Dies ist eine unausweichliche Notwendigkeit,, die in der effizientesten, schnellsten und sichersten möglichen Weise erfüllt werden muß! Ständige Verbesserung und Weiterentwicklung unserer Kulturpflanzen ist von zentralem Interesse und von hoher Bedeutung für unsere Gesellschaft!

12 Bedeutung der Pflanzenzüchtung Der einzige Weg der Verbesserung und der Weiterentwicklung unserer Kulturpflanzen ist die genetische Veränderung (Züchtung + Gentechnik)! Unsere heutigen Kulturpflanzen-Sorten sind in hohem Maße genetisch verändert; sie kommen nicht natürlicherweise vor!

13 Pflanzenzüchtung Der Ursprung: Domestikation - Beginn vor Jahren im Nahen Osten - erste Kulturformen: Weizen (Einkorn, Emmer), Gerste Erbse, Linse Lein - Auswahl von spontan auftretenden Varianten mit wünschenswerten Eigenschaften: große Samen wenig Verlust (Ährenbrüchigkeit, Hülsenöffung) gleichzeitiges Reifen reduzierte Keimruhe aufrechtes Wachstum frühe Landrassen mit regional unterschiedlichen Eigenschaften

14 Pflanzenzüchtung Entstehung von Landrassen Wildformen Wildes Einkorn Einkornweizen Landrasse 1 Landrasse 2 Landrasse 3

15 Pflanzenzüchtung Seit dem 19. Jahrhundert: gezielte Züchtung; seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts wissenschaftlich fundiert

16 Pflanzenzüchtung Züchtung: Neukombination verfügbarer Diversität und Auswahl günstiger Kombinationen (phänotypische( Selektion) liefert Elite- Sorten; bisher weitgehend empirisch!

17 Pflanzenzüchtung Weitere Verbesserung von Elite-Sorten: - Ertrag - Toleranz gegenüber (widrigen) biotischen und abiotischen Umweltbedingungen (Pathogene( Pathogene; Trocken-, Salz-, Hitze-, Kälte-Streß Streß)

18 Pflanzenzüchtung Weitere Verbesserung von Elite-Sorten: - Qualität des Ernteproduktes - Eignung bzgl.. des Anbaugebietes (geogr.. Lage) - Ressourcen-schonende Kultivierung - Hybridzüchtung (CMS, Restorer)

19 Pflanzenzüchtung Wege zur Verbesserung von Elite-Sorten: - Mutagenese - Introgression aus Landrassen oder Wildformen - Introgression aus entfernt verwandten Arten ( Embryo-Rescue Rescue ) - Gentechnische Veränderung

20 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Die pflanzliche Genomforschung liefert Informationen und Techniken, die den Züchtungsprozess erheblich unterstützen können: - Kenntnisse über die pflanzlichen Gene (und ihrer Wechselwirkungen), die für die Ausprägung wichtiger Merkmale verantwortlich sind - Kenntnisse über die Prozesse, die die pflanzlichen Gene steuern - Kenntnisse über die Wirkungsweise der Gene und über die Konsequenzen von Genveränderungen - Kenntnisse über die Genausstattung der Kulturpflanzenarten und -sorten- - Kenntnisse über den Verwandtschaftsgrad verfügbarer Linien - Techniken zur Erkennung von Unterschieden im Erbgut bzw.. von Erbgutveränderungen - Techniken zur Erkennung von Sorten bzw.. zum Nachweis ihres Ursprungs - Techniken zur Überprüfung der Auswirkungen genetischer Veränderungen auf die Eigenschaften der Pflanzen (z.b. auf ihre Inhaltsstoffe)

21 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Mutagenese: Triticum aestivum Saatweizen

22 TILLING: Identifizierung von (Punkt( Punkt-) Mutationen in Genen

23 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Introgression aus Landrassen oder Wildformen: Triticum dicoccum Emmer Triticum dicoccoides Wilder Emmer

24 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Verwandte Spezies Tomate Lycopersicon pennellii x Lycopersicon esculentum

25 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Molekulare Marker erlauben eine differentielle Genotypisierung von Individuen oder Linien: - RFLP (Restriktions( Restriktions-Fragment-Längen- Polymorphismus); CAPS (cleaved( amplified polymorphic sequence) - SSLP (simple sequence length polymorphism) ) = Mikrosatellit - AFLP (amplified( fragment length polymorphism) - SNP (single( nucleotide polymorphism)

26 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Die molekulare Grundlage aller Markersysteme sind Sequenzunterschiede in der DNA verschiedener Individuen oder Linien : a: ACTGCAGCTAAATATATATATATATAGAGCATTCCAGAACTGCAGGA b: ACTGCAGCTTAATATATA...TATAGAGCATTCCAGAACTGCAGGA c: ACTGCAGCTTAATATATATATATATAGAGCATTCGAGAACTGCAGGA Besonders häufig sind Einzelnukleotidpolymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNPs) ) oder Insertionen/Deletionen (InDels)

27 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung RFLP (restriction( fragment length polymorphism):

28 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung SSLP (simple sequence length polymorphism) ) = Mikrosatellit:

29 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung SNP (single( nucleotide polymorphism):...agagcagatccctggacagggcgagg... TAGGGACCTGTCCC B)...AGAGCAAATCCCTGGACAGGGCGAGG... TAGGGACCTGTCCC ddgtp ddctp ddatp ddttp CTAGGGACCTGTCCC TTAGGGACCTGTCCC...AGAGCAGATCCCTGGACAGGGCGAGG... CTAGGGACCTGTCCC B)...AGAGCAAATCCCTGGACAGGGCGAGG... TTAGGGACCTGTCCC BB AB AA

30 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Multiplexe (8x) SNP-Analyse (SNaPshot( SNaPshot)

31 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Mit Hilfe molekulare Marker kann die Zusammensetzung der Genome einzelner Individuen oder Linien bestimmt werden

32 QTL Kartierung Durch Verrechnung von Markerdaten und Werten zur Merkmals- ausprägung werden einflußreiche Genomabschnitte identifiziert ++ ( ) +/- +/- +/- ++ ( )

33 QTL-Analyse: Erfassung polygener Merkmalsbestimmung Nach QTL-Analysen (Bestimmung multipler Genwirkungen) können günstige Kombinationen aus Abschnitten der elterlichen Genome ermittelt werden X

34 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Molekulare Marker erlauben die direkte Identifizierung von Individuen/Linien mit günstigen Genomsegmentkombinationen

35 Pflanzenzüchtung: Neue Möglichkeiten durch Genomforschung Die Zukunft: Rationales Pflanzen-Design a B C D E Introgression Mutagenese Transformation A B* C* αd D E E

36 Pflanzengenomforschung Professor Dr. Thomas Altmann Universität Potsdam Institut für Biochemie und Biologie - Genetik - c/o Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie Am Mühlenberg Golm Tel.: ++49 (0) Fax: ++49 (0) altmann@mpimp-golm.mpg.de