BreedPatH
PLANT BREEDING RESEARCH II


Zuchtwert-Mustererkennung in Hybridkulturarten

Koordinator: Herr Dr. Amine Abbadi – (Institut)

Projektbeschreibung

In der Raps-Hybridzüchtung wird der Heterosis-Effekt ausgenutzt. Von einem Heterosis-Effekt wird gesprochen, wenn die Leistung der ersten Nachkommengeneration, der F1-Generation, höher ist als die Leistung der Kreuzungseltern. Dazu müssen die Kreuzungseltern genetisch verschieden, aber auch nicht zu verschieden sein. Um dies zu erreichen, wird aus der Vielzahl möglicher Kombinationen diejenige für die Produktion von Hybridsaatgut ausgewählt, welche die größte F1-Hybridleistung und damit auch hohe Kombinationseignung der Elternlinien besitzt.

Die Kombinationseignung zweier Linien wird durch zahlreiche genetische Effekte bestimmt. Um diese Eignung herauszufinden, waren bislang sehr umfangreiche Testkreuzungen für zahlreiche Hybridkombinationen notwendig. Diese phänotypisch, also auf äußeren Merkmalen, basierte Vorgehensweise wird heute schrittweise durch Methoden der molekularen Züchtung ergänzt oder sogar ersetzt. Diese erlauben eine globale Beurteilung der Gesamtheit der Erbanlagen, also des Genotyps einer Linie. Genotypisch ähnliche Linien können dann in einzelne Gruppen zusammengefasst werden, wobei Linien einer Gruppe jeweils mit Linien anderer Gruppen eine hohe Kombinationseignung aufweisen. Die Bildung solcher sogenannter „heterotischer Pools“ ist ein wichtiges Element moderner molekular geprägter Hybridzüchtung. Die heterotischen Pools selbst bestehen aus Inzuchtlinien mit hohem Zuchtwert und hoher Kombinationseignung.

Das BreedPatH Projekt zielt darauf, heterotische Pools auf diese Weise zu bilden und ein verlässliches Vorhersagemodell für die Hybridleistung zu entwickeln. Dazu werden zahlreiche genetische und genomische Faktoren mit molekularen Methoden systematisch untersucht. Auf Basis neuer biometrischer und künstlicher Intelligenz (Machine Learning) Ansätze kommen dabei Simulationsmodelle und Genomik-Vorhersagemodelle zum Einsatz, die der schnellen Trennung und der dauerhaften Erhaltung der heterotischen Pools dienen. Die Anwendung der neu entwickelten Genomik-Vorhersagemodelle erlaubt es zudem, aus den Pools jeweils Linien mit hohen Zuchtwerten und guter Kombinationseignung gezielt auszuwählen und zu kreuzen, was zu einer schnellen Kombination positiver Allele für quantitative Merkmale wie Ertrag oder bestimmte Resistenzen führt.

Durch die Überführung der im Laufe des Projekts entwickelten Pflanzenmaterialien, umfassenden Datensätze und Vorhersagemethoden in einen kommerziellen OSR-Zuchtkontext erwarten wir mittelfristig eine effizientere Hybridzüchtung für leitungsfähige, ertragsstarke Sorten. Wir hoffen zu zeigen, dass ein neu gestaltetes Zuchtprogramm, das auf umfassenden genomischen Daten basiert, den Verlust an Vielfalt und Anpassungsfähigkeit im Zusammenhang mit der intensiven Linienzucht schnell wieder rückgängig machen kann. Dies wird sich nachhaltig auf die Hybriderträge auswirken. Längerfristig erwarten wir, dass Variationen der in BreedPatH entwickelten Methoden dazu beitragen werden, ähnliche Strategien zu entwickeln, um die Hybridzüchtung in anderen traditionell ingezüchteten Kulturen, wie beispielsweise Gerste oder Weizen, zu nutzen. Aufgrund der breiten Bedeutung für die globale Landwirtschaft und des hochinnovativen, interdisziplinären Ansatzes gehen wir davon aus, dass die wissenschaftlichen Methoden zu wirkungsvollen Publikationen und einem erheblichen nachgelagerten Forschungs- und Entwicklungspotenzial führen werden.


Breeding Value Pattern Recognition in Hybrid Crops

Coordinator: Herr Dr. Amine Abbadi – (Institut)

Project description

In rapeseed hybrid breeding the heterosis effect occurs when the performance of the first offspring generation, the F1 generation, is higher than the performance of the parents. However, due to the high number of available lines within a breeding programme, it is, in practice, only possible to use a relatively small selection of the possible crosses between the inbred lines for field testing. Breeders therefore aim to establish heterotic groups (“pools”) that contain a range of diverse, but mutually complimentary inbred lines.

The complementarity or combining ability of two lines is determined by numerous genetic effects. In order to seek for this ability, very extensive field testing of numerous hybrid combinations have been necessary so far. This phenotypically, i.e. based on visual traits, approach is now gradually being supplemented or even replaced by molecular breeding methods. These allow a global assessment of the totality of hereditary traits, i.e. the genotype of a line. Genotypically similar lines can then be combined into individual groups, whereby lines of one group show a high suitability for combination with lines of other groups. The formation of "heterotic pools" is an important element of modern hybrid breeding.

The BreedPatH project aims to form heterotic pools in rapeseed and to develop a reliable prediction model for hybrid performance. Genetic and genomic factors will be systematically investigated using molecular methods. On the basis of new biometric and artificial intelligence (machine learning) approaches, simulation and genomic prediction models will be used to rapidly separate and sustain heterotic pools. The application of the newly developed genomic prediction models also allows the targeted selection and crossing of lines with high breeding values and good combining ability from the pools, leading to a rapid combination of positive alleles for quantitative traits such as yield per se and yield stability.

By transferring the plant materials developed in the course of the project, comprehensive data sets and prediction methods into a commercial OSR breeding context, we expect a more efficient hybrid breeding for conductive, high-yielding varieties in the medium term. We hope to show that a redesigned breeding program based on comprehensive genomic data can quickly reverse the loss of diversity and adaptability associated with intensive line breeding. This will have a lasting impact on hybrid yield. In the longer term, we expect that variations in the methods developed in BreedPatH will help to develop similar strategies to use hybrid breeding in other traditionally inbred crops, such as barley or wheat. Due to the broad significance for global agriculture and the highly innovative, interdisciplinary approach, we expect that the scientific methods will lead to effective publications and significant downstream research and development potential.

Projektpartner

Frau Dr. Katrin Beckmann

NPZ Innovation GmbH


Hohenlieth-Hof

24363 Holtsee


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Herr Prof. Dr. Rod Snowdon

Justus-Liebig-Universität Gießen


Heinrich-Buff-Ring 26-32

35392 Gießen


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Herr Prof. Dr. Marius Kloft

Humboldt Universität zu Berlin


Department of Computer Science

Rudower Chaussee 25

12489 Berlin


E-Mail-Kontakt
Herr Prof. Dr. Björn Usadel

Forschungszentrum Jülich GmbH


Institut für Bio- und Geowissenschaften

Pflanzenwissenschaften (IBG-2)

Wilhelm-Johnen-Straße

52428 Jülich


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