Christian Jung, Plant Breeding Institute, University of Kiel Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Neue Methoden der Pflanzenzüchtung zur Selektion und gezielten Veränderung von Nutzpflanzen Christian Jung 6. Agrarwissenschaftliches Symposium, 24. September 2015 , Innovative Biomasse-Erzeugung , Herausforderungen und Perspektiven, Weihenstephan Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung
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Neue Methoden der Pflanzenzüchtung Institut für zur ... · embryo rescue Mutationsauslösung, genome editing allele mining Zell- und Gewebekultur Gentechnik, Genetik, Molekularbiologie
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Christian Jung, Plant Breeding Institute, University of Kiel
Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät
Neue Methoden der Pflanzenzüchtung
zur Selektion und gezielten
Veränderung von Nutzpflanzen
Christian Jung
6. Agrarwissenschaftliches Symposium, 24. September 2015 , Innovative Biomasse-Erzeugung , Herausforderungen und Perspektiven,
Weihenstephan
Institut für
Pflanzenbau und
Pflanzenzüchtung
Christian Jung, Plant Breeding Institute, University of Kiel
Die Anwendung biotechnologischer Methoden in der Pflanzenzüchtung
Verkürzung der
ZüchtungsphaseDH-Produktion,
in vitro Vermehrung
Genetisch veränderte
Pflanzen
Erhöhung des Selek-
tionserfolges
Gentechnisch
veränderte Pflanzen
• de facto
• de jure
Erweiterung der gene-
tischen Variabilität
Art-
bastardierungSomatische Fusion
embryo rescueMutationsauslösung,
genome editingallele
mining
Zell- und Gewebekultur Gentechnik, Genetik, Molekularbiologie
Biostatistik, Bioinformatik,
Genomforschung
Pflanzengenetische
Ressourcen
Marker-gestützte Selektion,
genomic selection
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Alle diploiden Pflanzen besitzen eine ähnliche Anzahl von Genen (25.000 – 35.000),
unterscheiden sich aber im Anteil der repetitiven DNA des Genoms (bis 95%).
10µmPhoto: Thomas Schmidt
Größenvariation pflanzlicher Chromosomen
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Stadien der strukturellen Genomanalyse
109 108 107 106 105 104 103 Bp
Chromosom
......AGCAGATTT
AGACGTAGAT
TGCAGATGAC
AGTAGACGGA
TAGACGGATG
CGGTGATGAC
GTGTGGGGTG
ACGGTGAGTG
TTTATGTGAGG
GTCGTGAGTG
GCGAGGGTGC
AGTTGGGTCG
TGGTGAAAAC
GTGTGACTGA
TGCTGATGCT
GACGTTGACG
TAAGTTTGA.....
DNA-SequenzPhysische Karte aus large-
insert Klonen (BAC-contigs)
genetische KarteKerngenom
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Marker-gestützte Selektion vs. Genomische Selektion
Marker
Gene, QTL
Marker-gestützte Selektion:
• wenige Marker
• Einzelne Gene
Genomische Selektion:
• sehr viele Marker
• Viele (alle) Gene, die an der Ausprägung eines Merkmals
beteiligt sind (quantitative trait loci, QTL)
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Hochdurchsatz-Genotypisierungen als
Voraussetzung für die genomische Selektion
Microarray Technologie: Hundertausende oder Millionen
Sequenzen auf einem Chip (Whole genome DNA chip
array)
Next generation sequencing Technologie: bis zu 300
Milliarden Nukleotide/Lauf (1 Woche)
• SNP Detektion
• Mapping by sequencing: Kartierung von crossover in
spaltenden Populationen
Affymetrix.com
http://www.liv.
ac.uk/lmf/
Illumina hiseq
DNA SNP array
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Zwei Schritte führten zur Steigerung des Fruchtgewichtes bei
Tomaten
Lin T, et al. (2014) Genomic analyses provide insights into the history of tomato
breeding. Nature Genetics 46 (11):1220-1226.
PIM: S. pimpinellifolium (wild ancestor)
CER: S. lycopersicum var. cerasiforme (cherry tomato)
BIG: S. lycopersicum (big-fruited tomato)
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Die Möglichkeiten zur gentechnischen Veränderung von
Nutzpflanzen sind in den letzten Jahren stark erweitert worden
Spendergen
Transformation
Die traditionelle Sichtweise gentechnisch veränderter Pflanzen:
Erweiterungen und Abwandlungen:
• Cisgene Pflanzen
• Ektopische Regulation endogener Gene
• Genome editing
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Methoden zur Mutagenese pflanzlicher Gene
• Zufällige Mutagenese durch
– Bestrahlung
– Chemische Substanzen
• Insertionsmutagenese
• Genome editing
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Zahlreich, ungerichtet,
spontan
Ortsspezifisch, gezielt auf
eine Sequenz hin gerichtet
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Genome editing, targeted genome
modification
• Einzelnukleotid-Mutation:
– Betrifft ein Gen, welches Bestandteil des Genoms ist oder
– gleichzeitig mehrere Gene, wenn diese über ein hohes Maß an
Sequenzhomologie verfügen (Genfamilien)
– Punktmutation (ein bis wenige Nukleotide), frame shift Mutation
• Einfügen von Insertionen in einem bestimmten Sequenzabschnitt durch
homologe Rekombination (gene replacement)
• Deletion größerer Chromosomen-Fragmente
– Gleichzeitiger Einsatz von zwei sgRNAs
• Veränderte Genexpression
• Routine für Reis, Mais, Soja
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Präzises genome editing und ortsspezifische
Mutageneseortsspezifische Rekombinase (künstliche Restriktionsenzyme) zur Erzeugung von Doppelstrangbrüchen
(DSB)
Führt zur Stimulation des zellulären DNA Reparatursystems: DSBs werden beseitigt durch
• homologe Rekombination (Resultat ist eine de jure gentechnisch veränderte Pflanze) oder durch die
• fehleranfällige Verknüpfung nicht-homologer Enden (non-homologous end joining NHEJ)
Zinkfinger Nukleasen (ZFNs)
• Fusion einer Zinkfinger DNA-Bindedomäne mit der FokI Endonuklease
• Zinkfinger DNA-Bindedomäne kann gentechnisch so verändert werden, dass eine bestimmte
Zielseqauenz im Genom angesteuert wird (je 3 Bp, die miteinander verknüpft werden können, so dass
bis zu 18 Bp lange Sequenzen gebunden werden)
• Zwei Gene müssen in die Zelle eingebracht werden (mit oder ohne Insertions-DNA)
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Energiemaiszüchtung• Reife verzögern: Kurztaggene aus exotischen Populationen integrieren
• Kältetoleranz in spätes Zuchtmaterial einlagern
GGP Bonn, W. Schmidt (KWS SAAT AG)
Silomais Energiemais
Methanbildung Minimal im Pansen Maximal im Fermenter
Verweildauer ½ Tag 30 – 40 Tage
Stärkegehalt Hoch > 32 % ausgereiftes
Korn notwendig
Nicht entscheidend
TS-Gehalt 30- 35 % zur max.
Futteraufnahme
25 – 30 % zur Vermeidung
von Sickersaft
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Die pflanzliche Zellwand: Ein Forschungsobjekt
für die Bioenergieerzeugung
Pflanzliche Biomasse (exklusive Ernteorgane) besteht größtenteils aus Zellwandbestandteilen
Ziel: Züchtung von Pflanzen mit höherem Celluloseanteil und geringerem Protein- und Ligninanteil (N-Gehalt)
Ektopische Expression von Cellulose-Synthasegenen
Ektopische Expression von Transkriptionsfaktoren (z.B. NAC- and Myb-domain-containing proteins), die die Bildung sekundärer Zellwändbestandteile initiieren
Transgene Pappeln mit verringertem Ligninanteil (Energieersparnis bei Holzverarbeitung)
Steigerung der Effizienz des Celluloseabbaus(Clostridium thermocellum, Trichoderma-Pilze)