Moderne Bioinformatik für die erfolgreiche Pflanzenzucht

Das Projekt GABI-GAIN entwickelt Methoden, die es erlauben sollen, Pflanzen mehr nach ihrem gesamten züchterischen Wert als nach Einzelmerkmalen zu bewerten. Welche Herausforderungen das für die Bioinformatik bedeutet, erklärt der stellvertretende Projektleiter Hans-Peter Piepho im Gespräch mit Pflanzenforschung.

Weshalb ist es so aufwändig, eine Datenbank für die Zwecke der Pflanzenzüchtung zu entwickeln?

Prof. Piepho: Die Pflanzenzüchtungsunternehmen sind in ihrer Struktur, ihrer personellen und materiellen Ausstattung sehr unterschiedlich, was sich auch in ihren Arbeitsmethoden niederschlägt. Schwerwiegender aber ist, dass die landwirtschaftlichen Kulturarten in ihren Züchtungsmethoden sehr unterschiedlich sind und im Sortenfindungsprozess sehr unterschiedliche Daten erhoben werden. Eine wesentliche Schwierigkeit dabei bilden die enormen Datenmengen, die aus jedem einzelnen Feldversuch entstehen. Deshalb ist es kompliziert, ein einheitliches Datenformat für züchterische Daten verschiedener Kulturarten zu entwickeln, und erfordert einen intensiven Austausch zwischen allen Beteiligten. Schließlich soll das entwickelte Datenbankmanagementtool (DINAMIT) flexibel mit verschiedenen bereits existierenden Datenbanksystemen der beteiligten Züchter kombinierbar sein.

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Welche Informationen soll das von GABI-GAIN entwickelte System kombinieren und wozu ist das wichtig?

Prof. Piepho: Unser System verbindet Informationen zur Durchführung und zu den Ergebnissen von Feldversuchen, Informationen zu Verwandtschaftsbeziehungen und Markerdaten der verwendeten Genotypen. Außerdem ermöglicht das System die Anbindung von Analysetools, die im Projekt entwickelt wurden, was die direkte Analyse der integrierten Daten ermöglicht.

Wie lassen sich die Umweltfaktoren aus der Bewertung der Pflanzen heraus rechnen?

Prof. Piepho: Lineare gemischte Modelle erlauben es, Umwelteffekte von genetischen Effekten zu trennen. Besonders interessant für unser Projekt sind geostatistische Ansätze, welche die Ähnlichkeit benachbarter Parzellen im Feldversuch abschätzen und diese Information dann dazu nutzen, Umwelteffekte aus den phänotypischen Daten herauszurechnen und so dem genotypischen Wert näher zu kommen.

Für die Verbindung phänotypischer und genetischer Eigenschaften setzt das Projekt unter anderem auf die Assoziationskartierung. Was ist deren Stärke?

Prof. Piepho: Die Ergebnisse der Assoziationskartierung sind im Gegensatz zur QTL-Kartierung in speziellen Polulationen dirket auf Zuchtmaterial übertragbar. Die Assoziationskartierung in Zuchtpopulationen erlaubt die Identifikation von Genen, ohne aufwändige Experimentalpopulationen zu erstellen. Zusätzlich erhöht sich im Vergleich zu klassischen Kartierungsverfahren die Auflösung.

Was werden Züchter am Projektende in der Hand halten, und wann könnten die ersten auf diese Weise entwickelten Linien kommerzialisiert werden?

Prof. Piepho: Die Züchter haben bereits Prototyen des DINAMIT-Tools zur Datenintegration, - visualisierung und -analyse in der Hand, was die Entwicklung neuer Linien unterstützen wird. Für die statistischen Verfahren werden verschiedene Tools entwickelt, angefangen bei speziellen Werkzeugen für die Optimierung von Selektionsprogrammen, bis hin zu Programmcodes für vielfältige Auswertungen mit Hilfe von Standard-Statistik-Software. Die praktische Züchtung kann so die jüngsten Entwicklungen der Biometrie und Genomik konkret an eigenem Zuchtmaterial bewerten, ihre Zuchtintervalle verkürzen und letztlich natürlich verbesserte Linien anbieten.

Pflanzenforschung.de: Vielen Dank für das Gespräch!