Genomische Selektion in der Pflanzenzüchtung

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1 Genomische Selektion in der Pflanzenzüchtung Chris-CarolinCarolin Schön 30. März 2012

2 Hybridzüchtung Population 1 Population 2 Kreuzungen Linieni Prüfung 1 Umwelt Kreuzungen Linen Linien Prüfung 5 Umwelten Linen 50 Linien Prüfung 50 Linen >10 Umwelten Hybrid Komponenten Hybriden Hybrid Komponenten Überarbeitet nach Schmidt, 2004 Plant Breeding 2

3 Beobachtungsanbau Photo: KWS, W. Schmidt, M.Ouzunova Plant breeding 3

4 Leistungsprüfung Viele Gene mit kleinen Effekten Photo: W. Schmidt Plant Breeding 4

5 Genomik in einer Minute Plant Breeding 5

6 Overview on public maize Genomische genomics resources Resourcen Status maize genome sequencing: B73 Accessioned Golden Path V2: 2.1 Gb sequence available (of 2.3 Gb) genes identified De novo sequencing of 4 EU flint/dent founder lines (in progress) Resequencing of 27 US NAM founder lines in gene rich regions: 2.9Mio unique SNPs Resequencing of Mo17: 1Mio SNP compared to B73 Resequencing of 26 EU NAM founder lines (in progress) > 2 Mio ESTs Various ongoing projects Maps: Physical Map IBM Map LHRF Map NAM-Map Science Nov 19; 2009 Tools: BAC-Libraries 50K Community Chip Plant Breeding 6

7 DNA Polymorphismen SNP1 SNP2 Ind.1: ACATGGATCCAGGCATGGCTTAG TGGAACAACACACC Ind.2: ACATGGATCCAGACATGGCTTAG TGGAACAACATACC Ind.3: ACATGGATCCAGACATGGCTTAG TGGAACAACATACC Ind.4: ACATGGATCCAGGCATGGCTTAG TGGAACAACATACC SNP funktional oder zufällig Ind.5: ACATGGATCCAGACATGGCTTAG TGGAACAACATACCTGGAACAACATACC Mais: 1 SNP pro 50 Basenpaaren ~ 2.6 x 10 9 Basenpaare/Genom Plant Breeding 7

8 Kopplungsungleichgewicht A C A C A C A C A T A C A T A C G C G T G C G T G T G T G T G T Plant breeding 8

9 Genomische Selektion Reference population Selection candidates Unterschiede PZ - TZ Genotypes and phenotypes Prediction equation Genomic breeding value = w 1 x 1 + w 2 x 2 + w 3 x Marker genotypes Selected genotypes Estimated breeding values Homozygotie Testkreuzungen Familien und GPU Struktur Wiederholte Messungen Migration G x E Dominanz 9

10 Genomische Selektion SNP Marker Ind1 GBV Ind 2 GBV Genetischer Wert eines Individuums id wird aus seinem DNA Profil vorhergesagt Plant Breeding 10

11 Rekurrente Selektion Zyklus 1 Population Linien 200 Linien 50 Linien Elitelinien R i ˆ (, ) M M g r g g R i h P g Zyklus Linien 200 Linien 50 Linien Elitelinien 11

12 Genauigkeit der Vorhersage 732 SNPs 1377 DHs Ertrag Trockensubstanz 12

13 Vorhersage der Testkreuzungsleistung Ertrag 13

14 Erste experimentelle Ergebnisse aus der Maiszüchtung sind ermutigend. Technische Universität München 14

15 Genomische Selektion Harris, New Zealand,

16 Was können wir von der genomischen Selektion erwarten? Literatur bei Fremd- und Selbstbefruchtern empfiehlt den Einsatz genomischer Zuchtwerte für die Selektion. In naher Zukunft wird es bei einer Reihe von Fruchtarten belastbare experimentelle Ergebnisse über mehrere Rekombinationszyklen, Tester und Jahre geben. Die zukünftig verfügbare Datengrundlage wird die Analyse der genetischen Struktur von selektierten Populationen erlauben. Bei Einsatz genomischer Selektion müssen Zuchtschemata grundlegend überarbeitet werden. Plant Breeding 16

17 Pflanzenforschung am WZW Interdisziplinäres Zentrum für genom-basierte Tier- und Pflanzenzüchtung Plant Breeding 17

18 Partner Wissenschaftliche Exzellenz & Technologische Kompetenz U Göttingen Tierzüchtung U Hohenheim Pflanzenzüchtung Bioinformatik Züchtungsinformatik U Kiel Tierzüchtung FLI Mariensee Nutztiergenetik TUM Pflanzenzüchtung Tierzüchtung Genetik Populationsgenetik Bioinformatik Medizin HMGU Bioinformatik Humangenetik LfL Tierzüchtung Industrie KWS SAAT AG Lohmann Tierzucht Anwendungsbezug g 18

19 Datenintegration und Methodenentwicklung Breeders Phenotypes T1 Sequenzen 30 lines Trait Geneics 14 lines, amplicons T2 Genotyping SNP array Genotypes T3 Bioinformatik Metabolites T4 Biomarker Metabolites Geno-/Phenotypes Genotypes Metabolites A1 Statistical Methods A2 Genomic Selection A3 Genomic Prediction A4 Population Genomics 19

20 Investitionen in Ausbildung neue Technologien sind nur mit gut ausgebildetem Nachwuchs zu implementieren stärkere Verzahnung von pflanzen- und agrar- wissenschaftlichen Studiengängen Verbesserung der Durchlässigkeit zwischen benachbarten bioökonomierelevanten Fächern Vermittlung der Attraktivität des grünen Bereichs Plant Breeding 20