NUGGET
PLANT BIOTECHNOLOGY


Entwicklung und Anwendung der neusten Generation genetischer Technologien bei Kulturpflanzen

Koordinator: Herr Prof. Dr. Thomas Altmann – (Leibniz)

Projektbeschreibung

Genidentifizierung in Kulturpflanzen

Die Erkennung von agronomisch wichtigen Genen und/oder Allelvarianten in Kulturpflanzen wird dringend für die zukünftige Entwicklung von neuem genetischen Material benötigt, um zum einen die Ernten zu erhöhen und die Ertragsstabilität, vor allem in Anbetracht des zu erwartenden weltweiten Klimawandels zu gewährleisten. Aufgrund der momentan noch gängigen sehr zeitaufwändig Züchtungsverfahren, mit meist mehr als 10 Jahren Dauer für die Erzeugung und Testung eines neuen Produktes oder einer neuen Sorte ist der Bedarf für schnelle und effiziente Selektionsmethoden von wesentlicher Bedeutung. Spezielle pflanzliche Eigenschaften wie Toleranz gegen Frost, Trockenheit oder Salz, Öl- und Eiweiß oder Stärkegehalt in Samen, dem Zeitpunkt der Blüte oder die Resistenz gegen Insekten stehen dabei im Vordergrund. Die Tatsache, dass viele der landwirtschaftlich nutzbare Pflanzeneigenschaften jedoch auf mehreren Gen-Funktionen und Interaktionen (Oligo- oder polygene Natur) beruhen, unterstreicht die Notwendigkeit einer Methode um eine direkte Verknüpfung von einem jedem (kommerziellen) wichtigen Merkmal mittels molekularer Marker zum verursachenden genetischen Hintergrund aufzuzeigen.

Ein wichtiger Schritt war dabei die Identifizierung von Genmutationen mittels Next-Generation-Sequencing (NGS)-Technologie und die Verknüpfung von neuen Mapping- und Algorithmen-Verfahren in der „SHOREmap“-Methode (Schneeberger et al., 2009). Dabei wird in einem einzigen simultanen Verfahren vergleichender Sequenzierung von DNA-Pools die Marker-Erkennung, die Typisierung und Kartierung von Genen (mit hoher agronomischer und wirtschaftlicher Bedeutung) durchgeführt. Das Prinzip dieser Methode, welches induzierte Mutationen oder natürlich / spontan auftretenden Sequenzvarianten (Laitinen et al., 2010) identifizieren kann, wurde bereits im Modellorganismus Arabidopsis gezeigt. Die "SHOREmap"-Methode stellt eine erweiterte Version der „bulked segregant Analyse“ dar welches normalerweise für das serielle Mapping von tausenden von Markern in vielen Einzellinien angewendet wird. Stattdessen nutzt SHOREmap die NGS-Kapazitäten anhand vergleichender Sequenzierung von DNA aus zwei phänotypisch klar unterscheidbaren ('Fälle' und 'Nicht-Fälle") Untergruppen einer segregierenden Population.

Im NuGGET-Verbund-Projekt, einer Verbindung von mehreren deutschen Pflanzenzüchterunternehmen und führenden akademischen Forschungsinstitutionen, soll die SHOREmap Methode für die Anwendung in Nutzpflanzen mit komplexen Genomen weiter entwickelt werden. Ziel des Nugget Projektes ist die Implementierung, Verbesserung und der Einsatz des neuartigen Verfahrens zur raschen Entdeckung von modifizierten Genen in Populationen von natürlichen oder künstlich erzeugten Mutanten unter Verwendung der NGS-Technologie. Die Verfügbarkeit eines solchen Verfahrens soll direkt in die Entwicklung neuer Sorten und Produkte einfließen sowie die grundlegende Forschung an und mit Nutzpflanzen steigern. Um dies zu erreichen, wird das NuGGET-Konsortium versuchen das am Modell Organismus Arabidopsis erfolgreich angewendeten Methode für den Einsatz an den hochkomplexen aber landwirtschaftlich bedeutsamen Kulturpflanzen wie Mais (10 Chromosome, 2,3 GB, ~80% repetitive Sequenzen), Raps (1,15 GB, 38 Chromosome), Zuckerrübe (18 Chromosome, ~0,8 GB) und Gerste (5,1 GB, ca. 80% repetitive Sequenzen) anzupassen.

Zunächst werden in sogenannten „Proof-of-Concept“ (POF)-Experimenten einfache, durch einzelne Genvarianten erzeugte Eigenschaften wie "Dwarf" oder "rotes Hypokotyl" (Zuckerrübe) oder der Blühzeitpunkt (Mais) untersucht um die Methodik zu testen, anzupassen und zu optimieren. Später sollen komplexere Merkmale wie Glucosinolat- und Öl-Gehalt in Samen (Raps) untersucht werden bevor in einem dritten Schritt die SHOREmap-Analyse dazu benutzt wird Mutationen an einer neu herzustellenden Mais-EMS-Population zu identifizieren, zu charakterisieren und möglicherweise sofort in eine wirtschaftliche Verwertung zu implementieren.

Teilprojekte

0315957A
Fördersumme: 1.283.110,10 €

Laufzeit 01.08.2011 – 31.07.2015


Herr Prof. Dr. Thomas Altmann

Leibniz


E-Mail-Kontakt

Tel: +49 3948 /5-214

Institut f. Pflanzengenetik u Kulturpflanzenforschung

Corrensstrasse 3

06466 Seeland OT Gatersleben

Deutschland


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0315957B
Fördersumme: 298.324,40 €

Laufzeit 01.08.2011 – 31.12.2014


Herr Prof. Dr. Christian Jung

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel


E-Mail-Kontakt

Tel: 0431 880-7364 / 0151 25233613

Christian-Albrechts-Platz 4

24118 Kiel

Deutschland


zur Website
E-Mail-Kontakt
0315957C
Fördersumme: 461.817,20 €

Laufzeit 01.08.2011 – 31.01.2015


Herr Prof. Dr. Detlef Weigel

Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie


Molekularbiologie

Spemannstr. 39

72076 Tübingen

Deutschland


zur Website
0315957D
Fördersumme: 660.685,30 €

Laufzeit 01.08.2011 – 31.01.2015


Herr Prof. Dr. Bernd Weisshaar

Universität Bielefeld


E-Mail-Kontakt

Tel: +49 521 106-8720

Centrum für Biotechnologie

Universitätsstrasse 27

33615 Bielefeld

Deutschland


zur Website
0315957E
Fördersumme: 307.755,00 €

Laufzeit 01.09.2011 – 31.07.2015


Dr. Felix Dreyer

Norddeutsche Pflanzenzucht Hans-Georg Lembke KG


Hohenlieth-Hof 1

24363 Holtsee

Deutschland


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