Perspektiven der genomischen Selektion in der Pflanzenzüchtung
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- Tristan Lorentz
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1 Perspektiven der genomischen Selektion in der Pflanzenzüchtung Rod Snowdon Professur für Pflanzenzüchtung, Justus-Liebig-Universität Giessen Plant Breeding Giessen
2 Pflanzenzüchtung: 5-mal F für s Leben Feed vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Food Fuel Fibre Fun
3 Pflanzen unterscheiden sich von Tieren! vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern-
4 Pflanzenleistung: G*E n vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcb Bodenumwelt, Erntebedingungen, zoom.jpg Fruchtfolge, EK0DMBw Lagerungsumwelt, Mikroorganismen Samenqualität Wachstums- bzw. Maturationsumwelt: Temperatur, Wasser- bzw. Nährstoffverfügbarkeit, zahlreiche biotische und abiotische Stressfaktoren
5 Übergeordnete Zuchtziele vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Qualität Resistenz sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Ertrag forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcb Bodenumwelt, Erntebedingungen, zoom.jpg Fruchtfolge, EK0DMBw Lagerungsumwelt, Mikroorganismen Samenqualität Wachstums- bzw. Maturationsumwelt: Temperatur, Wasser- bzw. Nährstoffverfügbarkeit, zahlreiche biotische und abiotische Stressfaktoren
6 Allgemeine Zuchtstrategie Identifizierung (bzw. Erzeugung) von genetisch determinierter Variation vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Rekombination erwünschter Merkmale durch gezielte Kreuzungen Selektion der forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayernbesten Nachkommen Fixierung der besten Kombinationen in neuen, verbesserten Sorten Einsatzpotential für GS-Strategien
7 Kulturpflanzensorten L K W D U S vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern
8 Fixierung der Diversität in Sorten Selbstbestäuber: Linienzüchtung vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Homozygotiegrad F 10000s 2 50% 1 sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg F 3 75% s F % 3 F forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- 100s % 4 F % 5 &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcb 10s 6 Anzahl selektierter Linien F 1en Ausgangskreuzungen. Mittlerer Homozygosität Jahre nach erster Kreuzung wenig amtliche Sortenprüfung (2-3 Jahre) 7-10
9 Fixierung der Diversität in Sorten vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Diversität F2 -kleine Plots, nicht uniform F3 - größere Parzellen, mehr Uniformität forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- uniform, angepasst F4 - Leistungsparzellen, F1-Hybridkombinationen aus homozygoten F4-Eltern Beispiel: KWS Saat SE, Sorghum-Zuchtgarten (2013)
10 Fixierung der Diversität in Sorten Zuchtbeschleunigung durch die Doppelhaploiden-Technik (DH) vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Pollenmikrosporenzoom.jpg EK0DMBw oder Antherenkultur zur Erzeugung haploider Pflanzen aus F1-Gameten Aufdopplung der Chromosomen durch chemikalische Behandlung zur Erstellung vollständig homozygoter DH-Linien in ca. 1,5 Jahren
11 Erhaltung mittels fertiler Maintainer Fixierung der Diversität in Sorten Fremdbestäuber: Hybridzüchtung Züchtung & Selektion DH-Linien Mutterpool Züchtung & Selektion DH-Linien Vaterpool vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Stark erhöhte sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Zuchtaufwand, Saatgut Leistungsprüfungen deswegen teuerer Testkreuzungen ABER verbesserter Leistungsprüfungen Zuchtfortschritt forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- und Testkreuzungen Ertragsstabilität durch pollensterile Vaterlinien mit Heterosis &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcb Mutterlinien Fertilitätsrestorer Experimentalhybride Hybridsorte
12 Umfangreiche Leistungsprüfungen vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Bild: NPZ Lembke KG
13 Umfangreiche Leistungsprüfungen ~ DH-Nachkommen pro Jahr, aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Umwelten zur Selektion der Eigenleistung: sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Bild: NPZ Lembke KG
14 Umfangreiche Leistungsprüfungen ~ DH-Nachkommen pro Jahr, aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG
15 Umfangreichedurch Optimierung Leistungsprüfungen genomische Selektion ~ DH-Nachkommen pro Jahr, aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG
16 Umfangreichedurch Optimierung Leistungsprüfungen genomische Selektion Ex so akte w SN ie Ph P- gen äno Ge om ty no w pe ty eit n pe e n ~ DH-Nachkommen pro Jahr, aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: GS-Modell sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG
17 Umfangreichedurch Optimierung Leistungsprüfungen genomische Selektion Ex so akte w SN ie Ph P- gen äno Ge om ty no w pe ty eit n pe e n 10x soviel DH-Linien ~ DH-Nachkommen pro Jahr, genotypisiert mit genomweiten SNPs aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: GS-Modell sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG
18 Umfangreichedurch Optimierung Leistungsprüfungen genomische Selektion Ex so akte w SN ie Ph P- gen äno Ge om ty no w pe ty eit n pe e n 10x soviel DH-Linien ~ DH-Nachkommen pro Jahr, genotypisiert mit genomweiten SNPs aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: GS-Modell sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Leistungsvorhersage Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG
19 Umfangreichedurch Optimierung Leistungsprüfungen genomische Selektion Ex so akte w SN ie Ph P- gen äno Ge om ty no w pe ty eit n pe e n 10x soviel DH-Linien ~ DH-Nachkommen pro Jahr, genotypisiert mit genomweiten SNPs aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: GS-Modell sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Leistungsvorhersage Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" Prüfung der %3A&imgrefurl=http%3A%2F%2Fvector.me%2Fsearch%2Fwindy-weatherBestgeschätzten im Feld symbol&docid=8xdxyc0p6-3fom&imgurl=http%3a%2f%2fvector.me%2ffiles forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG
20 Umfangreichedurch Optimierung Leistungsprüfungen genomische Selektion Ex so akte w SN ie Ph P- gen äno Ge om ty no w pe ty eit n pe e n 10x soviel DH-Linien ~ DH-Nachkommen pro Jahr, genotypisiert mit genomweiten SNPs aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: GS-Modell sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Leistungsvorhersage Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" Prüfung der %3A&imgrefurl=http%3A%2F%2Fvector.me%2Fsearch%2Fwindy-weatherBestgeschätzten im Feld symbol&docid=8xdxyc0p6-3fom&imgurl=http%3a%2f%2fvector.me%2ffiles forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG
21 Umfangreichedurch Optimierung Leistungsprüfungen genomische Selektion Ex so akte w SN ie Ph P- gen äno Ge om ty no w pe ty eit n pe e n 10x soviel DH-Linien ~ DH-Nachkommen pro Jahr, genotypisiert mit genomweiten SNPs aus ~500 Kreuzungen, geprüft in einzelnen Umwelten zur Selektion der vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Eigenleistung: GS-Modell sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg geringe Selektionsgenauigkeit, keine Leistungsvorhersage Aussage zur Kombinationseignung (GCA): Zuchtwert als Hybridelter" Prüfung der %3A&imgrefurl=http%3A%2F%2Fvector.me%2Fsearch%2Fwindy-weatherBestgeschätzten im Feld symbol&docid=8xdxyc0p6-3fom&imgurl=http%3a%2f%2fvector.me%2ffiles forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Selektionsintensität von 10% Selectionsgewinn Bild: NPZ Lembke KG Selectionsgewinn
22 Automatisierung von GS im Zuchtprozess Beispiel: Seed-Chipping vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Bilder: DuPont-Pioneer, Monsanto
23 Genombasierte Poolentwicklung 100 Jahre heterotischer Poolentwicklung für die Maishybridzüchtung vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Rupert & Butzen (2010) Dupont-Pioneer, USA
24 Genombasierte Poolentwicklung Umstellung von Linienzüchtung auf Hybridzüchtung Beispiel Raps Speziesweite Diversität: Hauptkoordinatenanalyse mit ~ SNPs (MAF>0,05) vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Winter W2 sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg SW Spr Spring W1 Semi-winter PC1 (22.9%) PC1 (22.9%) %3A&imgrefurl=http%3A%2F%2Fvector.me%2Fsearch%2Fwindy-weather- forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- p://vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg http PC2 (9.2%) er_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg t=safari&sa=x&rls=en&biw=1813&bih=1277&tbm=isch&tbnid=gvgx16ierfjy ol&docid=8xdxyc0p6-3fom&imgurl=http%3a%2f%2fvector.me%2ffiles h bcteach.com/free/s/simpleplantcolorlabeled.jpg%2fimages%2f1%2f1%2f11 ://forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-baye PC3 (4.1%) PC4 (1.9%) PC3 (4.1%) eather_sunny_clip_art.jpg&w=425&h=404&ei=flpqus2mh4fc4qs3t4hibg&zo &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcbek0dmbw PC2 (9.2%) PC3 (4.1%)
25 Genomische Strukturvariation vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Paleopolyploidisierung sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Pflanzen Alle Blühpflanzen gehen Tiere auf forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Paleopolyploidisierungen zurück &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcb Bei vielen wichtigen Kulturpflanzen fand die jüngste Allopolyploidisierung erst vor bis 100 Jahren statt Quelle: Wikipedia.org
26 Duplikation ergibt Adaptationspotential Amborella vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Vitis allopolyploide Genom sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg vom Raps: ~ Gene Arabidopsis Brassica triplication Brassica oleracea Brassica rapa (C o genome) (A r genome) forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern Allo-tetraploidy A n subgenome Brassica napus 9 2 (A n C n genome) 6 Paradebeispiel Das 72-fach duplizierte, C n subgenome Chalhoub et al. Science, 2014
27 Entstehung von Genomstrukturvariation Genomweite Illumina-Resequenzierung (Beispiel Chromosomen A01/C01): Grafik: mittlere Sequenzabdeckung pro 10 kbp-interval in 8 diversen Genotypen vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Genotyp 1 rot: duplizierte Segmente sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg blau: deletierte Segments Homoeologe, A01 Translokationen nicht-reziproke (HNRT) forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Genotyp 1 C01 Chalhoub et al. Science, 2014
28 Entstehung von Genomstrukturvariation Genomweite Illumina-Resequenzierung (Beispiel Chromosomen A01/C01): Grafik: mittlere Sequenzabdeckung pro 10 kbp-interval in 8 diversen Genotypen vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg rot: duplizierte Segmente sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg blau: deletierte Segments Homoeologe, nicht-reziproke A01 Translokationen (HNRT) forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- C01 Chalhoub et al. Science, 2014
29 Entstehung von Genomstrukturvariation Genomweite Illumina-Resequenzierung (Beispiel Chromosomen A01/C01): Grafik: mittlere Sequenzabdeckung pro 10 kbp-interval in 8 diversen Genotypen vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg rot: duplizierte Segmente Genotyp 2 sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg blau: deletierte Segments Homoeologe, A01 Translokationen nicht-reziproke (HNRT) forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Genotyp 2 C01 Chalhoub et al. Science, 2014
30 Entstehung von Genomstrukturvariation Genomweite Illumina-Resequenzierung (Beispiel Chromosomen A01/C01): Grafik: mittlere Sequenzabdeckung pro 10 kbp-interval in 8 diversen Genotypen vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg rot: duplizierte Segmente sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Genotyp 3 blau: deletierte Segments Homoeologe, A01 Translokationen nicht-reziproke (HNRT) forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcb Genotyp 3 C01 Chalhoub et al. Science, 2014
31 Heterosisches Potential durch Deletionen? vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern
32 CNV/PAV-Calling aus Illumina-Chip-Daten Genome structural rearrangement caller (GSRC Fabian Grandke et al., submitted) 1.60 Type to enter text vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg Input BAF AA AB BB SNP array PCT sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg 1.20 LR CSB 0.40 Unigene SNP positions CNVs Genotypes positions 0.00 forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- DBSCAN Synteny blocks Translocations Output &iact=rc&dur=568&page=1&start=0&ndsp=69&ved=0clcb Norm Theta 1DKM 1-Dimensional K-Means Clustering zoom.jpg EK0DMBw BAF B-Allele Frequency CSB Circular Binary Segmentation Norm R DBSCAN 1DKM Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise LR Log R ratios PCT Polar Coordinates Transformation
33 GSRC-Output: Segmentale Deletionen Type to enter text vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Fabian Grandke
34 GSRC-Output: Duplikationen bzw. HNRT Type to enter text vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Fabian Grandke
35 Heterotic Haplotype Capture Genombasierte Identifizierung diverser Ausgangslinien mit hoher GCA vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Genomsequenzierung der Ausgangslinien, Chip-Profiling aller Nachkommen auf GW-SNPs, CNV & PAV forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- GS-Modelle zur Selektion komplementäre Haplotypen mit hohem Hybridpotential Fixierung von heterotischen Haplotypen in divergenten Pools
36 forzaitalianfootball.com/wp-content/uploads/2013/03/jupp-heynckes-bayern- Machine-Learning- Algorithmen Diffuse Daten aus großen Zuchtpopulationen Genom? Phänotyp Epigenom Transkriptom vector.me/files/images/1/7/173152/weather_symbols_clip_art.jpg sunflower_and_tomato_seed_packages_ _smu.jpg Metaboliten Umweltdaten zoom.jpg EK0DMBw mirnas Verbesserte Erfassung von Epistasie ~ fehlende Heritabilität?
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