Gatersleben/Quedlinburg/Leipzig, Germany
November 12, 2018
Illustrating barley diversity, comparing phenotypes of heads/ears and awns. ©IPK Gatersleben
An international research consortium characterised a world genebank collection of barley at the molecular level comprising seed samples from more than 22,000 varieties. In their study published in Nature Genetics (DOI: 10.1038/s41588-018-0266-x) the scientists propose a new era for genebanks transforming them from museums of past crop diversity into bio-digital resource centres for breeding new varieties of cultivated plants. Researchers from the Julius-Kuehn-Institute contributed their studies on resistance and tolerance towards virus infections in barley.
Biodiversity goes beyond species diversity. Another important aspect of biodiversity is genetic variation within species. A notable example is the immense variety of cultivars and landraces of crop plants and their wild progenitors. An international research consortium led by the German Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK Gatersleben) and supported by the Julius-Kuehn-Institute has now characterised at the molecular level a world collection comprising seed samples from a total of more than 22,000 barley varieties. In a study published in the journal Nature Genetics (DOI: 10.1038/s41588-018-0266-x), the scientists usher in a new era for gene banks that transform from museums of past crop diversity into bio-digital resource centres.
Genebanks store samples of cultivars, landraces and wild relatives of crop plants from all over the world to safeguard our agricultural heritage and exploit it for future crop improvement. The German federal ex situ gene bank at IPK in Gatersleben hosts one of the world’s most comprehensive collections of cultivated plants, including 22,000 barley seed samples. Under the leadership of the IPK Gatersleben, researchers from the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), the Julius Kühn Institute (JKI, German Federal Research Centre for Cultivated Plants) in Quedlinburg and the University of Göttingen collaborated with colleagues from Japan, China, and Switzerland. This international cooperation revealed how well the IPK collection represents global barley diversity. A single plant was genotyped for each of more than 22,000 seed samples, enabling the scientists to identify duplicate samples within the collection. Opening up new ways for genetically informed quality management, this comprehensive dataset also guides the effective use of the collection in research and breeding by pinpointing lines for further in-depth characterization.
Permanent storage of different barley accessions in cold storage room of IPKs genebank. ©IPK Gatersleben.
Prof Dr Nils Stein (IPK Gatersleben and University of Göttingen) says: “This publication enables us to fully describe the wide range of morphological diversity of a worldwide genebank in terms of molecular genetics.” To do this, Stein and his team used a method called “genotyping by sequencing” (GBS). The complete DNA sequence of the barley variety ‘Morex’, which was released in 2017, forms the basis of the present work. It serves as a high-quality sequence anchor for the GBS information. To characterise genetic diversity between cultivated and wild barley forms throughout the whole genome, the researchers searched for so-called SNPs (single nucleotide polymorphisms). In total, they found more than 171,000 of these small DNA variants in the huge barley genome consisting of 5 billion base pairs. Stein adds: “This density is sufficient to find even very small differences between samples, but also to confidently flag pairs of duplicated samples in our collection.”
“We can now draw conclusions about the origin, distribution area and relationship between the barley populations hosted in our collection. All digital genetic data are publicly accessible and targeted queries can be submitted on-line. A state-of-the art database combines traditional passport records with the new molecular data to inform research and breeding applications,” explains Dr Martin Mascher of the IPK and iDiv, who co-led the study. The combination of historical field data of the genebank with modern molecular analyses is an impressive showcase for the opportunities that still lie dormant within gene banks around the world. New research methods and international collaborations have paved new ways for the preservation and use of this valuable genetic diversity. Prof Dr Frank Ordon from the Julius Kühn Institute (JKI) points out: “Detailed knowledge about genetic variability and its use are prerequisite for breeding new varieties adapted to a changing environment. In the future, plant breeders will have to cope with heat, drought stress and new pathogens and also must adapt to changes regarding the use of fertilisers and pesticides. Genes that code for key properties can thus be detected in native species or related wild species more quickly and be used in breeding.”
In the past, the lack of genetic data at the level of whole collections limited practical applications of genetic diversity in breeding and research. Thanks to the new analysis and open research data, it will now be possible to search across 22,626 barley seed samples. To host this unique resource, the researchers developed the BRIDGE “Data Warehouse” as a first steps towards a bio-digital resource centre.
Growing of accessions of the barley collection of the German Federal Ex situ Gene Bank at the IPK Gatersleben. ©IPK Gatersleben
Original publication (JKI scientists bold): Sara G. Milner, Matthias Jost, Shin Taketa, Elena Rey Mazón, Axel Himmelbach, Markus Oppermann, Stephan Weise, Helmut Knüpffer, Martín Basterrechea, Patrick König, Danuta Schüler, Rajiv Sharma, Raj K. Pasam, Twan Rutten, Ganggang Guo, Dongdong Xu, Jing Zhang, Gerhard Herren, Thomas Müller, Simon G. Krattinger, Beat Keller, Yong Jiang, Maria Y. González, Yusheng Zhao, Antje Habekuß, Sandra Färber, Frank Ordon, Matthias Lange, Andreas Börner, Andreas Graner, Jochen C. Reif, Uwe Scholz, Martin Mascher, Nils Stein (2018): Genebank genomics highlights the diversity of a global barley collection, Nature Genetics. www.nature.com/articles/s41588-018-0266-x, DOI: 10.1038/s41588-018-0266-x .
The BRIDGE project: BRIDGE stands for “Biodiversity informatics to bridge the gap from genome information to educated utilisation of genetic diversity hosted in Genebanks”. Funded in frame of the Leibniz Competition, the project was launched on 1 May 2015 and has been financially supported for the past three years with nearly 1.2 million euros. The aim of BRIDGE is to develop appropriate procedures to connect genetic, genomic and phenotypic information about plant genetic resources preserved in gene banks, enabling fast and easy access to the collection by researchers and breeders. More information is available at: http://bridge.ipk-gatersleben.de/bridge/
https://www.idiv.de/en/news/news_single_view/article//the_dawn_of.html
https://idw-online.de/en/news673497
Neues Zeitalter für Genbanken bricht an – Komplette Vielfalt einer Sammlung molekular charakterisiert
Internationales Forschungskonsortium unter Leitung des IPK Gatersleben nimmt erstmals molekulare Charakterisierung einer Weltkollektion von Gerste vor und beschreibt in „Nature Genetics“ (DOI: 10.1038/s41588-018-0266-x), wie damit Genbanken künftig von reinen Sammlungen zu bio-digitalen Ressourcenzentren werden. Julius Kühn-Institut (JKI) mit Untersuchungen zur Virusanfälligkeit beteiligt.
Biodiversität ist mehr als nur die Vielfalt der Arten. Ein weiterer, wichtiger Aspekt von Biodiversität ist die genetische Vielfalt innerhalb einer Art. Diese zeigt sich bei Kulturpflanzen in der Vielfalt der Sorten. Ein internationales Forschungskonsortium unter der Leitung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK Gatersleben) hat nun eine der weltweit umfassendsten Sammlungen von Gerstensorten molekular charakterisiert - insgesamt mehr als 22.000 Saatgutmuster. Im Fachmagazin „Nature Genetics“ beschreiben die Wissenschaftler den Beginn eines neuen Zeitalters für Genbanken, die sich von reinen Sammlungen zu bio-digitalen Ressourcenzentren entwickeln.
Um die genetische Vielfalt von Kulturpflanzen zu sichern und wissenschaftlich zu erforschen, werden in so genannten Genbanken Proben verschiedener Landrassen, Sorten und Wildformen gesammelt. Eines der weltweit umfassendsten Sortimente für viele Kulturpflanzen, darunter der Gerste, ist die bundeszentrale Ex-situ-Genbank am IPK Gatersleben. Unter Führung des IPK Gatersleben arbeiten Forschende des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), des Julius Kühn-Instituts (JKI) Quedlinburg und der Georg-August-Universität Göttingen mit Teams aus Japan, China und der Schweiz zusammen. Durch die internationale Kooperation konnte geklärt werden, wie umfassend das IPK-Weltsortiment der Gerste zusammengesetzt ist. Von jedem der über 22.000 Saatgutmuster wurde jeweils eine Einzelpflanze genotypisiert. Auf diese Weise konnten die Forscher gezielt genetische Duplikate in der Sammlung identifizieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten des Qualitätsmanagements aber auch eine effektive Nutzung der Sammlung in Forschung und Züchtung. Pflanzenlinien, die eine vertiefende Betrachtung verdienen, lassen sich gezielter als bisher aufspüren.
Prof. Dr. Nils Stein (IPK Gatersleben und Georg-August-Universität Göttingen) sagt: „Mit dieser Veröffentlichung gelingt es, ein großes Sortiment einer weltweiten Sammlung in einer Genbank molekulargenetisch komplett zu beschreiben – mit anderen Worten, die weltweite natürliche Diversität einer der wichtigsten Kulturarten mit einem Blick zu erfassen.“ Dafür nutzten Stein und sein Team die Methode des „Genotyping-by-Sequencing“ (GBS). Grundlage der Arbeit bildet die vollständige DNA-Sequenz der Gerstensorte „Morex“. Diese liegt als Anker-Sequenz seit 2017 in hoher Qualität vor. Um die kompletten Genome sämtlicher Gerste-Muster und deren Wildformen zu charakterisieren, suchten die Forscher nach sogenannten SNPs (Einzelnukleotidpolymorphismen). Insgesamt fanden sie über 171.000 dieser kleinen Variationen in der DNA, die jeweils nur ein einzelnes Basenpaar betreffen. „Eine Dichte, die im Genom der Gerste (insgesamt 5 Milliarden Basenpaare) geeignet ist, kleinste Unterschiede aber auch Dopplungen zielsicher aufzuspüren“, so Stein weiter.
„Valide Rückschlüsse auf Herkunft, Verbreitungsgebiet und Ähnlichkeiten sind so möglich. Durch die Digitalisierung und öffentliche Verfügbarkeit lassen sich die Ergebnisse dank eines modernen Datenbanksystems gezielt abfragen und mit den Passport-Daten der Genbanken aber auch mit eigenen Forschungs- und Züchtungsdaten kombinieren“, ergänzt der an der Studie gleichwertig beteiligte Dr. Martin Mascher vom IPK und iDiv. Die Kombination von historischen Daten der Genbanken mit den molekularen Analysen zeigt eindrucksvoll, welche Möglichkeiten in Genbanken schlummern. Nur mit modernen Forschungsansätzen und Methoden sowie im Verbund mehrerer Teams kann es gelingen, den Schatz der genetischen Vielfalt zu nutzen und zu erhalten.
Prof. Dr. Frank Ordon vom Julius Kühn-Institut betont: „Da sich die Pflanzenzüchtung vermehrt auf wechselnde Umweltbedingungen wie Hitze, Trockenheit, neue Schaderreger, aber auch Veränderungen bezüglich des Dünge- und Pflanzenschutzmitteleinsatzes einstellen muss, sind detaillierte Kenntnisse über die genetische Variabilität und deren Nutzung eine Voraussetzung für die Züchtung angepasster Sorten. Gene, die für wichtige Eigenschaften codieren, lassen sich so in Landrassen oder verwandten Wildarten schneller auffinden und in der Züchtung nutzen“.
Der praktische Wert einer Sammlung wie jener am IPK Gatersleben war bisher begrenzt, da umfassende genetische Informationen zu den Saatgutmustern fehlten. Dank der neuen Analyse ist für die Gerste nun eine gezieltere Datenbankabfrage zu den 22.626 Samenmustern möglich. Das im Projekt entwickelte und öffentlich zugängliche BRIDGE „Data Warehouse“ (siehe Hintergrundinfo unten) markiert den Startpunkt für ein bio-digitales Ressourcenzentrum.
Originalpublikation
Sara G. Milner et al. (2018) “Genebank genomics highlights the diversity of a global barley collection”, Nature Genetics. DOI: 10.1038/s41588-018-0266-x
Weiterführende Publikation
Vollständige DNA-Sequenz der Gerstensorte „Morex“, als Anker-Sequenz 2017 publiziert:
https://www.nature.com/articles/nature22043
Zum BRIDGE Projekt
Das im Leibniz-Wettbewerbsverfahren geförderte Projekt startete am 1. Mai 2015 und wurde über drei Jahre mit knapp 1,2 Millionen unterstützt. BRIDGE steht für „Biodiversity informatics to bridge the gap from genome information to educated utilization of genetic diversity hosted in Genebanks“. Ziel des Projektes ist es, geeignete Verfahren zu entwickeln, um die genetischen, genomischen und phänotypischen Informationen zu Nutzpflanzen und die in Genbanken bewahrte Vielfalt an pflanzengenetischen Ressourcen effizient miteinander zu verknüpfen und so schneller erschließen und nutzen zu können. Weitere Informationen (auf Englisch): http://bridge.ipk-gatersleben.de/bridge/.
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