Genbank erweitert Portfolio

Historische Daten liefern Phänotyp-Informationen

03.07.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

In Genbanken wie am IPK-Gatersleben wird Genmaterial von Pflanzen gesammelt, erhalten und für die Wissenschaft und Züchtung zugänglich gemacht. (Bildquelle: © IPK Genebank/Flickr/CC BY 2.0)
In Genbanken wie am IPK-Gatersleben wird Genmaterial von Pflanzen gesammelt, erhalten und für die Wissenschaft und Züchtung zugänglich gemacht. (Bildquelle: © IPK Genebank/Flickr/CC BY 2.0)

Forscher haben am Beispiel Winterweizen ein Verfahren entwickelt, um Gendatenbanken für Pflanzenzüchter interessanter zu machen. Es zielt darauf ab, mehr phänotypische Informationen zu integrieren.

Genbanken bergen einen reichen Schatz an Erbgutinformationen über die wichtigsten Ackerpflanzen. Für Pflanzenzüchter ist der Schatz jedoch nur von begrenztem Wert. Denn in der Regel findet keine Verknüpfung der genetischen Information mit dem korrespondierenden Phänotyp statt. Eine gezielte Auswahl von Linien ist kaum möglich. Groß ist zudem das Risiko, für die Leistung der Pflanzen wichtige haploide Erbgutabschnitte des Elitematerials zu unterbrechen.

Bei jeder Regeneration des Saatguts in den Genbanken werden wenige, dafür aber umso wichtigere phänotypische Parameter dokumentiert. Mittels eines statistischen Modells ist es nun gelungen, historische Phänotyp-Informationen mit den genomischen Daten zu verbinden und so die Einträge in den Genbanken um wertvolle Informationen für Züchter zu ergänzen.

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Saatgut im Kühllager der Genbank des IPK Gatersleben. Mit 2.933 Arten und 776 Gattungen zählt sie zu den weltweit größten Einrichtungen ihrer Art.

Saatgut im Kühllager der Genbank des IPK Gatersleben. Mit 2.933 Arten und 776 Gattungen zählt sie zu den weltweit größten Einrichtungen ihrer Art.

Bildquelle: © Dag Terje Filip Endresen/Wikimedia/CC-BY-2.0

6.207 Winterweizen-Akzessionen

6.207 Einträge zu Winterweizen mit einer umfassenden historischen Charakterisierung verzeichnet die Genbank des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Pflanzenzüchtungsforschung (IPK) in Gatersleben. Seit 1946 wurden die Samen immer wieder regeneriert und dabei die Blütezeit, die Wuchshöhe und die Tausendkornmasse – das Gewicht von tausend Körnern – registriert.

„Die Blütezeit ist essenziell für die globale und saisonale Anpassung des Weizens“, erläutern die Forscher des IPK, der Universität Bonn und des Julius-Kühn-Instituts. Die Wuchshöhe habe z.B. in der Grünen Revolution eine zentrale Rolle gespielt, um den Harvest-Index zu erhöhen, also das Verhältnis der geernteten zu den nicht nutzbaren Teilen der Pflanze. Die Tausendkornmasse gilt als hoch erbliches Merkmal für die Ertragsstärke.

Wie gingen die Forscher vor?

Zunächst validierten die Forscher in drei Schritten die Qualität der Daten. Sie stellten sicher, dass nur im Herbst gesäter hexaploider Winterweizen mit physiologisch möglicher Charakterisierung berücksichtigt wurde. Auf die Plausibilitätsprüfung folgte dann die Eliminierung von gewöhnlichen statistischen Ausreißern. Den Abschluss machte eine wetterdatengestützte Suche nach weiteren Ausreißern. Die führte z. B. dazu, dass die Daten des gesamten Jahres 1961 aufgrund der Wetterextreme aus der Studie entfernt wurden. In der Summe resultierte daraus, dass die Varianz bei der Wuchshöhe um vier Prozent, bei der Blütezeit um 29 Prozent und bei der Tausendkornmasse um 15 Prozent abnahm. Die genetische Varianz für diese drei Merkmale verringerte sich jedoch nur marginal.

Validierung durch Feldversuche

In einem dreijährigen Feldversuch validierten die Forscher anschließend die historischen Daten. Eine zufällige Auswahl von rund 3000 Genbankbeständen wurde ausgesät und deren Blütezeit und Wuchshöhe mit den Beschreibungen in der Genbank abgeglichen. Dabei zeigte sich u.a., dass die blockartigen Lücken der historischen Daten nur einen geringfügigen systematischen Fehler von weniger als ein Promille zur Folge hatten. Die Korrelation der neuen und der historischen Datensätze bestätigt die hohe Qualität der historischen Daten: Sie beträgt 0,84 für die Blütezeit und 0,87 für die Wuchshöhe. Auffällig war allerdings, dass die Feldversuche eine gegenüber den historischen Daten durchschnittlich um 4,3 Tage nach vorne verschobene Blütezeit ergaben – vermutlich eine Folge immer früherer Blühbeginne infolge des Klimawandels.

„Die unverzerrte Analyse historischer Daten ohne Verlust beim Informationsgehalt ist herausfordernd“, betonen die Autoren. Für Genbank-Kuratoren haben sie eine wichtige Empfehlung: Die Regeneration der Bestände sollte nicht blockweise in bestimmten Intervallen, sondern jährlich für eine komplett zufällige Auswahl erfolgen, unabhängig von Herkunft oder Aufnahmedatum. Das verbessere die Präzision der statistischen Abschätzungen.

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Winterweizen hat seine Blütezeit mit den Jahrzehnten verändert und blüht heute ein paar Tage früher.

Winterweizen hat seine Blütezeit mit den Jahrzehnten verändert und blüht heute ein paar Tage früher.

Bildquelle: © Pitsch/Pixabay/CC0

Historische Daten sind eine wertvoll Quelle

Außerdem lobte das Team die genetische Diversität, die die Analysen für die Winterweizenbestände in der Genbank des IPK im Vergleich zu anderen Sammlungen ergaben,wenngleich Herkünfte aus Indien, China, Südamerika und Afrika unterrepräsentiert waren. „Die hochwertigen historischen Daten der IPK-Winterweizen-Sammlung bieten eine wertvolle Quelle phänotypischer Informationen für Assoziationsstudien, die Loci und Allele suchen, um die drei hier untersuchten Merkmale feinzujustieren.“

Forscher könnten nun aus den IPK-Beständen jene zusammenstellen, die aufgrund ähnlicher Blütezeiten und Wuchshöhen kaum Entwicklungsunterschiede aufweisen, was das Studium von Krankheiten unter Feldbedingungen erleichtert. Und auch Züchter profitierten, denn sie können die Bestände nutzen, um ihr Elite-Zuchtmaterial hinsichtlich der Blütezeit an veränderte Umweltbedingungen anzupassen.

Potenzial für Genbanken

Die jetzt erprobte Methode lässt sich auf weitere Genbanken anwenden, um historische Daten für die Forschung und Züchtung zu erschließen: „Die qualitätsgeprüften, sofort verwendbaren phänotypischen Informationen aus dieser Studie sind ein erster Baustein, um traditionelle, von Konservierung getriebene Genbanken in bio-digitale Ressourcencenter zu verwandeln“, resümieren die Forscher

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