Joint project
BreedPath - Zuchtwert Mustererkennung in Hybridkulturarten
Funder: Federal Ministry of Research, Technology and Space, former: Federal Ministry of Education and Research
Period: 2020-2023
URI: https://www.pflanzenforschung.de/de/forschung-plant-2030/projekte/283/detail
Detailed description:
In der Raps-Hybridzüchtung wird der Heterosis-Effekt ausgenutzt. Von einem Heterosis-Effekt wird gesprochen, wenn die Leistung der ersten Nachkommengeneration, der F1-Generation, höher ist als die Leistung der Kreuzungseltern. Dazu müssen die Kreuzungseltern genetisch verschieden, aber auch nicht zu verschieden sein. Um dies zu erreichen, wird aus der Vielzahl möglicher Kombinationen diejenige für die Produktion von Hybridsaatgut ausgewählt, welche die größte F1-Hybridleistung und damit auch hohe Kombinationseignung der Elternlinien besitzt.
Die Kombinationseignung zweier Linien wird durch zahlreiche genetische Effekte bestimmt. Um diese Eignung herauszufinden, waren bislang sehr umfangreiche Testkreuzungen für zahlreiche Hybridkombinationen notwendig. Diese phänotypisch, also auf äußeren Merkmalen, basierte Vorgehensweise wird heute schrittweise durch Methoden der molekularen Züchtung ergänzt oder sogar ersetzt. Diese erlauben eine globale Beurteilung der Gesamtheit der Erbanlagen, also des Genotyps einer Linie. Genotypisch ähnliche Linien können dann in einzelne Gruppen zusammengefasst werden, wobei Linien einer Gruppe jeweils mit Linien anderer Gruppen eine hohe Kombinationseignung aufweisen. Die Bildung solcher sogenannter „heterotischer Pools“ ist ein wichtiges Element moderner molekular geprägter Hybridzüchtung. Die heterotischen Pools selbst bestehen aus Inzuchtlinien mit hohem Zuchtwert und hoher Kombinationseignung.
Das BreedPatH Projekt zielt darauf, heterotische Pools auf diese Weise zu bilden und ein verlässliches Vorhersagemodell für die Hybridleistung zu entwickeln. Dazu werden zahlreiche genetische und genomische Faktoren mit molekularen Methoden systematisch untersucht. Auf Basis neuer biometrischer und künstlicher Intelligenz (Machine Learning) Ansätze kommen dabei Simulationsmodelle und Genomik-Vorhersagemodelle zum Einsatz, die der schnellen Trennung und der dauerhaften Erhaltung der heterotischen Pools dienen. Die Anwendung der neu entwickelten Genomik-Vorhersagemodelle erlaubt es zudem, aus den Pools jeweils Linien mit hohen Zuchtwerten und guter Kombinationseignung gezielt auszuwählen und zu kreuzen, was zu einer schnellen Kombination positiver Allele für quantitative Merkmale wie Ertrag oder bestimmte Resistenzen führt.
Durch die Überführung der im Laufe des Projekts entwickelten Pflanzenmaterialien, umfassenden Datensätze und Vorhersagemethoden in einen kommerziellen OSR-Zuchtkontext erwarten wir mittelfristig eine effizientere Hybridzüchtung für leitungsfähige, ertragsstarke Sorten. Wir hoffen zu zeigen, dass ein neu gestaltetes Zuchtprogramm, das auf umfassenden genomischen Daten basiert, den Verlust an Vielfalt und Anpassungsfähigkeit im Zusammenhang mit der intensiven Linienzucht schnell wieder rückgängig machen kann. Dies wird sich nachhaltig auf die Hybriderträge auswirken. Längerfristig erwarten wir, dass Variationen der in BreedPatH entwickelten Methoden dazu beitragen werden, ähnliche Strategien zu entwickeln, um die Hybridzüchtung in anderen traditionell ingezüchteten Kulturen, wie beispielsweise Gerste oder Weizen, zu nutzen. Aufgrund der breiten Bedeutung für die globale Landwirtschaft und des hochinnovativen, interdisziplinären Ansatzes gehen wir davon aus, dass die wissenschaftlichen Methoden zu wirkungsvollen Publikationen und einem erheblichen nachgelagerten Forschungs- und Entwicklungspotenzial führen werden.
In der Raps-Hybridzüchtung wird der Heterosis-Effekt ausgenutzt. Von einem Heterosis-Effekt wird gesprochen, wenn die Leistung der ersten Nachkommengeneration, der F1-Generation, höher ist als die Leistung der Kreuzungseltern. Dazu müssen die Kreuzungseltern genetisch verschieden, aber auch nicht zu verschieden sein. Um dies zu erreichen, wird aus der Vielzahl möglicher Kombinationen diejenige für die Produktion von Hybridsaatgut ausgewählt, welche die größte F1-Hybridleistung und damit auch hohe Kombinationseignung der Elternlinien besitzt.
Die Kombinationseignung zweier Linien wird durch zahlreiche genetische Effekte bestimmt. Um diese Eignung herauszufinden, waren bislang sehr umfangreiche Testkreuzungen für zahlreiche Hybridkombinationen notwendig. Diese phänotypisch, also auf äußeren Merkmalen, basierte Vorgehensweise wird heute schrittweise durch Methoden der molekularen Züchtung ergänzt oder sogar ersetzt. Diese erlauben eine globale Beurteilung der Gesamtheit der Erbanlagen, also des Genotyps einer Linie. Genotypisch ähnliche Linien können dann in einzelne Gruppen zusammengefasst werden, wobei Linien einer Gruppe jeweils mit Linien anderer Gruppen eine hohe Kombinationseignung aufweisen. Die Bildung solcher sogenannter „heterotischer Pools“ ist ein wichtiges Element moderner molekular geprägter Hybridzüchtung. Die heterotischen Pools selbst bestehen aus Inzuchtlinien mit hohem Zuchtwert und hoher Kombinationseignung.
Das BreedPatH Projekt zielt darauf, heterotische Pools auf diese Weise zu bilden und ein verlässliches Vorhersagemodell für die Hybridleistung zu entwickeln. Dazu werden zahlreiche genetische und genomische Faktoren mit molekularen Methoden systematisch untersucht. Auf Basis neuer biometrischer und künstlicher Intelligenz (Machine Learning) Ansätze kommen dabei Simulationsmodelle und Genomik-Vorhersagemodelle zum Einsatz, die der schnellen Trennung und der dauerhaften Erhaltung der heterotischen Pools dienen. Die Anwendung der neu entwickelten Genomik-Vorhersagemodelle erlaubt es zudem, aus den Pools jeweils Linien mit hohen Zuchtwerten und guter Kombinationseignung gezielt auszuwählen und zu kreuzen, was zu einer schnellen Kombination positiver Allele für quantitative Merkmale wie Ertrag oder bestimmte Resistenzen führt.
Durch die Überführung der im Laufe des Projekts entwickelten Pflanzenmaterialien, umfassenden Datensätze und Vorhersagemethoden in einen kommerziellen OSR-Zuchtkontext erwarten wir mittelfristig eine effizientere Hybridzüchtung für leitungsfähige, ertragsstarke Sorten. Wir hoffen zu zeigen, dass ein neu gestaltetes Zuchtprogramm, das auf umfassenden genomischen Daten basiert, den Verlust an Vielfalt und Anpassungsfähigkeit im Zusammenhang mit der intensiven Linienzucht schnell wieder rückgängig machen kann. Dies wird sich nachhaltig auf die Hybriderträge auswirken. Längerfristig erwarten wir, dass Variationen der in BreedPatH entwickelten Methoden dazu beitragen werden, ähnliche Strategien zu entwickeln, um die Hybridzüchtung in anderen traditionell ingezüchteten Kulturen, wie beispielsweise Gerste oder Weizen, zu nutzen. Aufgrund der breiten Bedeutung für die globale Landwirtschaft und des hochinnovativen, interdisziplinären Ansatzes gehen wir davon aus, dass die wissenschaftlichen Methoden zu wirkungsvollen Publikationen und einem erheblichen nachgelagerten Forschungs- und Entwicklungspotenzial führen werden.
Coordinating organisation / Consortium Leader
- Norddeutsche Pflanzenzucht Hans-Georg Lembke
Cooperation partners with funding
- Jülich Research Centre
- Norddeutsche Pflanzenzucht Hans-Georg Lembke
- University of Giessen
