Germany
March 3, 2022
More than 20 years after the first release of the human genome, scientists at the Ludwig-Maximilians-Universität München and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne, have for the first time decoded the highly complex genome of the potato. This technically demanding study lays the biotechnological foundation to accelerate the breeding of more robust varieties - a goal in plant breeding for many years and an important step for global food security.
When shopping for potatoes on a market today, buyers may well be going home with a variety that was already available more than 100 years ago. Traditional potato varieties are popular. And yet this example also highlights a lack of diversity among the predominant potato varieties. However, that could soon change: researchers in the group of geneticist Korbinian Schneeberger were able to generate the first full assembly of a potato genome. This paves the way for breeding new, robust varieties:
“The potato is becoming more and more integral to diets worldwide including even Asian countries like China where rice is the traditional staple food. Building on this work, we can now implement genome-assisted breeding of new potato varieties that will be more productive and also resistant to climate change – this could have a huge impact on delivering food security in the decades to come”.
Especially the low diversity makes potato plants susceptible to diseases. This can have stark consequences, most dramatically during the Irish famine of the 1840s, where for several years nearly the entire potato crop rotted in the ground, and millions of people in Europe suffered from starvation simply because the single variety that was grown was not resistant to newly emerging tuber blight. During the Green Revolution of the 1950s and 1960s, scientists and plant breeders succeeded in achieving large increases in the yields of many of our major crop staples like rice or wheat. However, the potato has seen no comparable boost, and efforts to breed new varieties with higher yields have remained largely unsuccessful to the current day.
The reason for this is simple but has proven difficult to tackle – instead of inheriting one copy of every chromosome from both the father and from the mother (as in humans) potatoes inherit two copies of each chromosome from each parent, making them a species with four copies of each chromosome (tetraploid). Four copies of each chromosome also mean four copies of each gene, and this makes it highly challenging and time-consuming to generate new varieties that harbour a desired combination of individual properties; what’s more, multiple copies of each chromosome also make the reconstruction of the potato genome a far greater technical challenge than was the case for the human genome.
The researchers have overcome this longstanding hurdle using a simple yet elegant trick. Instead of trying to differentiate the four, often very similar, chromosome copies from each other, Korbinian Schneeberger together with his colleague Hequan Sun and other co-workers circumvented this problem by sequencing the DNA of large numbers of individual pollen cells. In contrast to all other cells, each pollen cell contains only two random copies of each chromosome; this facilitated the reconstruction of the sequence of the entire genome.
An overview of the complete DNA sequence of cultivated potato has the potential of greatly facilitating breeding and has been an ambition of scientists and plant breeders alike for many years already. With this information in hand, scientists can now more easily identify gene variants responsible for desirable or undesirable.
Kartoffel-Genom entschlüsselt - Die komplette Sequenzierung des Erbguts erleichtert die Züchtung neuer Sorten
Mehr als 20 Jahre nach der Entschlüsselung des menschlichen Genoms haben Forschende der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln zum ersten Mal das hochkomplexe Genom der Kartoffel komplett entschlüsselt. Diese technisch anspruchsvolle Studie legt die biotechnologische Grundlage, um die Züchtung von robusteren Sorten zu beschleunigen.
Wer heute auf einem Wochenmarkt Kartoffeln kauft, geht mit hoher Wahrscheinlichkeit mit einer Sorte nach Hause, die es schon vor mehr als 100 Jahren gab. Obwohl nicht erst in den letzten Jahren traditionelle Kartoffelsorten beliebt sind, zeigt das auch einen Mangel an Vielfalt unter den vorherrschenden Sorten. Das könnte sich jedoch demnächst ändern: Forschenden um den Genetiker Korbinian Schneeberger vom Kölner Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung ist es nun gelungen, das erste vollständige Genom der Kartoffel zusammenzusetzen. Dies ebnet den Weg, um neue, robuste Sorten zu züchten: „Die Kartoffel wird weltweit immer mehr zum Bestandteil der Grundernährung“, sagt der Wissenschaftler. „Selbst in asiatischen Ländern wie China, wo Reis das traditionelle Grundnahrungsmittel ist, gewinnt die Kartoffel immer mehr an Einfluss. Anhand dieser Studie können wir nun die genombasierte Züchtung neuer Kartoffelsorten unterstützen, die produktiver und widerstandsfähiger gegen den Klimawandel sind. Das könnte einen enormen Einfluss auf die weltweite Ernährungssicherheit in den kommenden Jahrzehnten haben."
Vor allem die geringe Diversität macht Kartoffelpflanzen seit jeher anfällig für Krankheiten. Besonders drastisch trat das während der irischen Hungersnot in den 1840er-Jahren zutage, wo nahezu die gesamte Kartoffelernte über mehrere Jahre hinweg noch im Boden verdarb und Millionen Menschen in Europa Hunger litten. Zu der Katastrophe kam es, weil nur eine einzige Sorte angebaut wurde, die nicht resistent gegen die neu aufgetretene Knollenfäule war. Während der Grünen Revolution in den 1950er- und 1960er Jahren gelang es Pflanzenzüchtern, die Erträge vieler Grundnahrungsmittel wie Reis oder Weizen erheblich zu stabilisieren. Bei der Kartoffel jedoch gab es bis heute keine vergleichbare Entwicklung, und die Bemühungen, neue Sorten mit höheren Erträgen zu züchten, sind bis heute weitgehend erfolglos geblieben.
Der Grund dafür ist einfach, aber schwierig zu lösen: Anstatt je eine Kopie jedes Chromosoms vom Vater und von der Mutter zu erben, so wie es bei uns Menschen der Fall ist, erbt die Kartoffel zwei Kopien jedes Chromosoms von jedem Elternteil, sodass jedes Chromosom vierfach vorliegt. Vier Kopien jedes Chromosoms bedeuten auch vier Kopien jedes Gens, was die Erzeugung neuer Sorten mit einer gewünschten Kombination individueller Eigenschaften sehr schwierig und zeitaufwändig macht. Und genauso war die Rekonstruktion des Kartoffelgenoms aufgrund dieser vielen Chromosomen-Kopien eine weitaus größere technische Herausforderung als es beim menschlichen Genom der Fall war.
Den Forschenden ist es mit einem einfachen, aber eleganten Trick gelungen, diese Hürde zu überwinden: Anstatt die vier oft sehr ähnlichen Chromosomenkopien voneinander zu unterscheiden, umgingen Korbinian Schneeberger, sein Kollege Hequan Sun und weitere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter dieses Problem, indem sie die DNA nicht wie üblich aus dem Blattgewebe entnahmen, sondern die Genome einzelner Pollenzellen analysierten. Im Gegensatz zu anderen Zellen enthält jede Pollenzelle nur zwei Kopien jedes Chromosoms, was die Rekonstruktion des Genoms erleichtert.
Die Kenntnis der vollständige DNA-Sequenz der Kartoffel kann die Erzeugung neuer Sorten erheblich vereinfachen und ist bereits seit vielen Jahren ein Ziel in der Pflanzenzüchtung. Mit diesen Informationen können Forschende nun leichter Genvarianten identifizieren, die für erwünschte oder unerwünschte Eigenschaften verantwortlich sind - ein erster Schritt, um sie in die Züchtung mit einzubeziehen oder auszuschließen.
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