SHAPE
PLANT BREEDING RESEARCH II

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Strukturelle Genomvariation, Haplotypendiversität und das Gerste Pan-Genom - Erforschung der strukturellen Genomdiversität für die Gerstezüchtung

Koordinator: Herr Prof. Dr. Nils Stein – (Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK))

Projektbeschreibung

Das interdisziplinäre Projekt SHAPE befasst sich mit der Aufklärung der Komplexität struktureller Variation sowie der Bestimmung des sogenannten Core- und des Pan-Genoms der Gerste. Anhand der neu-erzeugten Genominformationen, sowie unter Berücksichtigung vorhandener Genomdaten werden Ansätze entwickelt und überprüft, um zu klären, welche Bedeutung oder welchen Einfluss die Kenntnis über strukturelle Variation auf den Erfolg genomischer Selektion in einem Gerste-Zuchtprogramm haben kann. Das Projekt wird, in bisher unerreichtem Maße, die Komplexität genetischer und struktureller Variation des Gerste Genoms beschreiben und in Zusammenarbeit mit einer der führenden Getreide Züchtungsfirmen Deutschlands und Europas, für eine nachhaltige Gerste-Züchtung erschließen. Potential und Nutzen der erzeugten, hoch-dichten und hoch-auflösenden, genomischen Variations-Matrix für eine Anwendung in der Assoziations Genetik und für Genom-weite Vorhersagen in einem modernen Gerste Züchtungsprogramm werden demonstriert. Es wird außerdem gezeigt wie die neu erzeugte Information genutzt werden kann, um sehr diverse aber kompatible Haplotypen aus Sammlungen genetischer Ressourcen zu rekrutieren und so eine vorhersagbare und damit besser planbare Zunahme genetischer Diversität in Zuchtprogrammen erreicht werden kann.

Wissenschaftliche und technische Ziele:

Erfassung des Gerste Core- und Pan-Genoms durch:

(i) de novo whole genome shotgun sequence Assemblies für zwei Haplotypen, die sich stark vom Referenzgenotypen ‘Morex’unterscheiden;
(ii) Gen-Annotation der de novo Genom-Assemblies;
(iii) Transkript Sequenzierung (RNA-seq, HiSeq2500) und de novo Assemblierung für 200 diverse Haplotypen.

Bestimmung des Ausmaßes an kleinen und großen strukturellen Variationen (SV) sowie Kopienzahl oder Vorhanden/Nicht-Vorhanden Variationen (CNV/PAV) durch:

(i) Katalogisierung von kleinen SV durch paired-end Sequenz-Read Kartierung basierend auf 10-fach coverage whole genome shotgun paired-end Resequenzierungs-Daten von mindesten 50 50 entfernt verwandten Haplotypen;
(ii) Kartierung größerskalierter SV in denselben 50 Haplotypen durch tethered 3D-conformation capture Sequenzierung;

Die neuerzeugten sowie bereits vorhandene Variations-Informationen werden in eine hoch-dichte und hoch-auflösende Genomische Variationsdatenmatrix integriert und ihr Wert in Bezug auf genomische Selektion in einem modernen Gerste-Züchtungsprogramm getestet.

Structural genome variation, haplotype diversity and the barley pan-genome - Exploring structural genome diversity for barley breeding

Coordinator: Herr Prof. Dr. Nils Stein – (Institut)

Project description

The SHAPE project is an interdisciplinary effort to discover the complexity of structural variation and to estimate the dimension of the core- and pan-genome of barley to establish new approaches underpinning innovative strategies in genomics-based barley breeding and exploration of natural genetic resources for crop improvement. The project will build extensively on previous work of the cooperation partners and extend previously established barley genomic resources to a completely new level and comprehension and thus unlock the complexity of barley genomic diversity and structural variation for innovative and sustainable barley breeding. By the direct interaction with one of the leading barley breeding companies in Germany and Europe we will demonstrate the power and potential of the generated high density and high resolution genomic variation matrix for application in genome wide association (GWAS) mapping and genome-wide prediction approaches in a modern barley breeding program and showcase how this information can be exploited for better informed selection of diverse and compatible haplotypes represented in natural genetic resource collections for predictable increase of genetic diversity and thus enforcing of breeding programs.

The scientific and technical objectives are:

Assessing the barley core- and pan-genomes by:

(i) establishing de novo whole genome shotgun sequencing assemblies of two haplotypes, genetically highly distant from the barley reference genotype ‘Morex’;
(ii) annotating the gene space of the new de novo genome assemblies;
(iii) performing deep transcript sequencing (RNA-seq, HiSeq2500) and de novo assembly of 200 highly diverse haplotypes.

Determining the extent of small and large scale structural variation (SV) and copy-number or presence/absence variation (CNV/PAV) by:

(i) cataloging small scale SV by paired end read mapping of 10-fold coverage whole genome shotgun paired-end sequencing data generated from 50 distant haplotypes (included in the panel including also those selected for RNAseq);
(ii) Mapping long distance SV in the same 50 haplotypes by tethered 3D-conformation capture sequencing;

Integrating all newly generated and pre-existing variation information into a high density genomic variation data matrix and testing its value in connection with a genomic selection – based barley breeding program.