Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 1 Dialogreihe Innovationsfeld Pflanze Themenblock Moderne Methoden in der Pflanzenforschung und züchtung Vortrag: Markergestützte Selektion (MAS) Prof. Dr. Klaus Pillen Martin Luther Universität th i itäthalle Magdeburg, 14.10.2010
Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 2 Was ist Markergestützte Selektion (MAS) MAS ist ein Verfahren zur Selektion von Pflanzen (und Tieren) oder deren Kreuzungsnachkommen mit Hilfe von DNA Markern. Aktuelle Einführung zur MAS: Collard BCY and Mackill DJ (2008) Marker assisted selection: an approach for precision plant breeding in the twenty first century. Philos Trans R Soc B Biol Sci 363:557 572572 Quelle: LfL Freising http://www.lfl.bayern.de/ipz/biotechnologie/03678/?context=/landwirtschaft/bio_gentechnologie/
Welche DNA Marker werden in der MAS verwendet? 1. PCR basierte Marker mit Größenbestimmung: z.b. SSR, AFLP, STS: 1 Marker für 1 5 pro Analyse 2. Sequenz basierte Marker: SNP Einzelmarker: 1 SNP für 1 5 pro Analyse 3. Hochdurchsatz SNP Marker: z.b. ILLUMINA, Infinium, Next Generation Sequencing: 1.000 500.000 SNPs für <100 pro Analyse Homo T: AGCTTGGCTA Hetero T+G: AGCTT/GGGCTA Homo G: AGCTGGGCTA SSR Einzel SNP ILLUMINA SNPs Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 3
Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 4 Wann sind DNA Marker geeignet für die MAS? 1. DNA Marker muss mit einem Zuchtziel gekoppelt sein. Nachweis geschieht durch: (A) Monogene Merkmale: Kopplungsanalyse, z.b. Resistenz (B) Polygene Merkmale: QTL Analyse oder Assoziations Kartierung z.b. Ertrag, Qualität, Stresstoleranz Ergebnis: Karte mit DNA Markern und gekoppelten Genen/QTLs 2. DNA Marker muss in der Population polymorph sein, also mindestens 2 verschiedene Allele zeigen.
Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 5 Wie erfolgt die Selektion in der MAS? 1. Eine spaltende Population (F2, DH, etc.) oder eine Auswahl von Sorten wird erstellt bzw. zusammengestellt um Variabilität im Zuchtziel zu erzielen. 2. Wenige bekannte DNA Marker, die mit dem Zuchtziel assoziiert sind, oder viele, über das gesamte Genom verteilte DNA Marker, werden in der Population untersucht. 3. Pflanzen, die das bekannte, positive Allel eines mit dem Zuchtziel assoziierten Markers tragen werden ohne Prüfungdes Phänotyps selektiert indirekte Selektion!
Marker-gestützte Selektion (MAS) A 1 2 3 4 5 Zielgen Foreground selection mit 1 gekoppelten Marker (keine Information über das Restgenom!) B 1 2 3 4 5 Recombinant selection mit 2 flankierenden Markern (Selektion von Rekombinanten mit reduziertem linkage drag möglich!) C 1 2 3 4 5 Background selection mit vielen Markern (auch genomic selection) (Zugleich positive Selektion des Zielgens und negative Selektion des Restgenoms!) Verändert nach Collard & Mackill 2008, Phil Trans R Soc Biol Sci Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 6
Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 7 Welche Vorteile verspricht die MAS? 1. FrüheSelektion anembryooderkeimling oder 2. Schärfere Selektion mit kodominanten Markern (AA:Aa:aa) 3. Substitution von teuren Feld und Laboranalysen 4. Parallele Selektion von zahlreichenmerkmalen 5. Der Züchter muss im Einzelfall entscheiden, ob die Prüfung der Pflanzen im Feld oder die Prüfung der DNA Marker im Labor die erfolgreichere Selektion verspricht. Hier entscheidet der erwartete ökonomische Selektionserfolg (R): R Phäno = Kosten Phäno * i * h Phäno * σ G R MAS = Kosten MAS * i * h MAS * r Phäno*MAS * σ G Wähle MAS, wenn: Kosten Phäno * h Phäno > Kosten MAS * r Phäno*MAS
Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 8 Wie entwickelt sich die MAS in Zukunft weiter? 1. Kosten der SNP Analysensinken sinken 2. Next generation sequencing bietet die Möglichkeit, das komplette Genom oder den aktiven Teil des Transkriptoms kostengünstig zu re sequenzieren 3. Die genomische Selektion mit 50.000 500.000 SNPs ermöglicht die Vorausschätzung (BLUP) und Selektion der Pflanzen mit den höchsten Leistungen nach phänotypischer Vor Prüfung einer kleinen Rf Referenzpopulation
Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 9 Wo besteht Forschungsbedarf in der MAS? 1. Weitere Optimierung der SNP Analysen. 2. Verbesserung der Phänotypisierung (Hochdurchsatz mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung der Phänotypen). Es gilt, die Feldbedingungen der Pflanzen im Gewächshaus und in der Klimakammer maximal zu reproduzieren. 3. Züchtungsinformatik und Züchtungsstatistik müssen an die höheren Anforderungen der Datenerfassung und Dateninterpretation angepasst werden.
Martin-Luther-Universität Halle, IPK Gatersleben Professur für Pflanzenzüchtung Nese Sreenivasulu Marion Röder, u. a. Klaus Pillen Tim March JKI Quedlinburg. Jeannette Rode Frank Ordon Thomas Bringezu University it of California, i Riverside id Erika Schumann Tim Close Florian Schnaithmann Astrid Hoffmann Christiane Kelm Sebastian Förster Vera Draba Nora Honsdorf South. Cal. Genotyping Consort. Joe DeYoung TraitGenetics, Gatersleben Martin Ganal Finanzierung BMBF (GABI) DFG (ERANET-PG) GFP, Bonn WZW, Wittenberg IZN, Halle Klaus Pillen, Markergestützte Selektion in der Pflanzenzüchtung, Magdeburg, 14.10.2010 10