Wissenschaftler entschlüsseln 300 Kartoffelsorten für bessere Ernten

Bildnachweis: LightFieldStudios/iStock

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Kartoffeln gehören zu den am häufigsten konsumierten Nahrungspflanzen der Welt, sind jedoch durch den Klimawandel vielen Bedrohungen wie Dürre, Frost und Krankheiten ausgesetzt. Wie können wir sie widerstandsfähiger und nahrhafter für die Zukunft machen? Ein Team von Wissenschaftlern der McGill University hat einen neuen Weg gefunden, um die Antwort zu finden: durch die Schaffung eines Kartoffel-Superpangenoms.

Ein Pangenom ist eine Sammlung aller genetischen Variationen innerhalb einer Art, während ein Super-Pangenom mehrere verwandte Arten umfasst. Die Forscher haben das umfangreichste Kartoffel-Superpangenom aller Zeiten erstellt, das 60 Kartoffelarten und ihre wilden Verwandten abdeckt. Sie verwendeten Supercomputer, um Daten aus öffentlichen Datenbanken zu analysieren, darunter Genbanken in Kanada, den Vereinigten Staaten und Peru.

Das Superpangenom der Kartoffel offenbart die reiche genetische Vielfalt dieser Kulturpflanze, die vor etwa 10.000 Jahren erstmals von indigenen Völkern in den Bergen im Süden Perus domestiziert wurde. Es hilft auch dabei, die Gene zu identifizieren, die für wichtige Merkmale verantwortlich sind, wie z. B. Krankheitsresistenz, Toleranz gegenüber extremen Wetterbedingungen und verbesserte Ernährungsqualität.

Die Forscher hoffen, dass ihr Superpangenom eine wertvolle Ressource für die Verbesserung der Kartoffelernte mithilfe traditioneller Züchtungs- oder Genbearbeitungstechniken sein wird. Ihr Ziel ist es, eine Super-Knolle zu entwickeln, die den Herausforderungen des Klimawandels gewachsen ist und die Ernährungssicherheit für Millionen von Menschen auf der ganzen Welt gewährleistet.

Die Studienleiterin, Professorin Martina Strömvik, erklärte, dass ihr Super-Pangenom die genetische Vielfalt der Kartoffel und das Potenzial zur Verbesserung der modernen Nutzpflanze durch Züchtung einiger genetischer Merkmale aufzeige. Sie fügte hinzu, dass Wildkartoffelarten wertvolle Erkenntnisse darüber liefern könnten, wie man sich an den Klimawandel und extreme Wetterbedingungen anpassen sowie die Ernährungsqualität und Ernährungssicherheit verbessern könne.

Die Studie ist Teil eines größeren Projekts namens Potato Genome Resources, dessen Ziel es ist, genomische Werkzeuge und Daten für die Kartoffelforschung und -züchtung bereitzustellen. Das Projekt wird von Genome Canada, Genome Quebec, Agriculture and Agri-Food Canada und vielen anderen Einrichtungen finanziert.

Die Studie wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Kartoffeln (Solanum sp., Familie Solanaceae) sind weltweit die wichtigste Nahrungspflanze, die kein Getreide ist. Es gibt über 100 wilde Verwandte in der Solanum-Sektion Petota, in der Arten mit sowohl sexueller als auch ungeschlechtlicher Fortpflanzung und unterschiedlichem Ploidieniveau vorkommen. Es wurde ein Pangenom des Solanum-Abschnitts Petota konstruiert, das aus 296 Akzessionen besteht, einschließlich Diploiden und Polyploiden, die mittels Anwesenheits-/Abwesenheitsvariation (PAV) verglichen wurden. Der Petota-Kern (Gene, die von mindestens 97 % der Akzessionen gemeinsam genutzt werden) und die Schalengenome (gemeinsam von 3 bis 97 %) sind mit grundlegenden molekularen und zellulären Funktionen angereichert, während das Wolkengenom (Gene, die in weniger als 3 % der Mitglieder vorhanden sind) angereichert ist Akzessionen) zeigten eine Anreicherung transponierbarer Elemente (TEs). Es wurde ein Vergleich von PAV in domestizierten mit wilden Akzessionen durchgeführt und ein phylogenetischer Baum auf der Grundlage von PAVs erstellt, der Akzessionen in verschiedene Kladen gruppierte, ähnlich wie frühere Phylogenien, die mithilfe von DNA-Markern erstellt wurden. Ein kladenweiser Pangenom-Ansatz identifizierte eine abiotische Stressreaktion zwischen den Kerngenen in Klade 1+2 und Klade 3 sowie Blüte/Knollenbildung zwischen den Kerngenen in Klade 4. Der TE-Gehalt unterschied sich zwischen den Kladen, wobei Klade 1+2 zusammengesetzt ist von Arten aus Nord- und Mittelamerika mit reproduktiver Isolation von Arten in anderen Kladen, die im Vergleich zu anderen Kladen einen viel geringeren TE-Gehalt aufweisen. Im Gegensatz dazu wurden Akzessionen mit einer In-vitro-Vermehrungsgeschichte identifiziert und es wurde festgestellt, dass sie hohe TE-Werte aufwiesen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass TEs eine Rolle bei der Anpassung an neue natürliche und künstliche Umgebungen im Solanum-Abschnitt Petota spielen.