Ganzheitliche Genotypisierung und Phänotypisierung pflanzengenetischer Ressourcen in Europas Genbanken
Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts, als sich viele traditionelle Pflanzensorten als unvereinbar mit modernen landwirtschaftlichen Praktiken erwiesen, begannen Länder mit der Einrichtung von Genbanken, um die genetische Vielfalt von Nutzpflanzen und ihren wilden Vorfahren zu schützen. Heute sind etwa 7,4 Millionen eindeutig identifizierte Proben pflanzengenetischen Materials (Akzessionen) in mehr als 1 750 Genbanken in aller Welt gespeichert. Diese pflanzengenetischen Ressourcen(öffnet in neuem Fenster) in Form von Saatgut, vegetativen Geweben oder DNS bilden den Schlüssel, mit dem die Anpassung von Nutzpflanzen an das sich verändernde Klima gelingen könnte. Ungeachtet ihrer Bedeutung wird das Potenzial pflanzengenetischer Ressourcen aufgrund begrenzter Informationen über ihre genetischen und phänotypischen Eigenschaften sowie aufgrund von Unsicherheiten hinsichtlich der Redundanz zwischen Sammlungen aus Jahrzehnten des Materialaustauschs nach wie vor nicht ausreichend genutzt. Das Team des EU-finanzierten Projekts AGENT(öffnet in neuem Fenster) befasste sich mit diesen Herausforderungen. Anhand von Weizen und Gerste, zwei wichtigen europäischen Nutzpflanzen, wurde im Rahmen von AGENT gezeigt, wie die koordinierte Verwaltung und Charakterisierung genetischer Ressourcen innerhalb eines europäischen Genbanknetzes deren Wert für die Züchtung klimaresilienter Nutzpflanzen steigern kann.
Auf dem Weg zu hochwertigen Genomdaten hoher Dichte über Akzessionen
Zentraler Bestandteil der Arbeit von AGENT war die Generierung hochwertiger genomischer Daten, wenn auch in begrenztem Umfang. „Genotypische Informationen lassen eine genaue Identifizierung von Akzessionen zu, wobei genetisch identisches, sehr ähnliches oder einzigartiges Material in verschiedenen Sammlungen offenbar wird. Einzigartige Genotypen unterstreichen die nicht redundante Vielfalt von globaler Bedeutung, die in Genbanken ex situ konserviert wird“, erklärt AGENT-Projektkoordinator Nils Stein vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung(öffnet in neuem Fenster). Zudem sind Genotypen, die von verschiedenen Genbanken gemeinsam genutzt werden, für die vergleichende Analyse phänotypischer Daten unter verschiedenen klimatischen Bedingungen von Interesse. Das Team von AGENT hat in jeder der mehr als zehn teilnehmenden Genbanken ausgewählte Teilmengen von etwa 500 Weizen- und/oder 500 Gerstenakzessionen genotypisiert. Diese Genotypisierung im Pilotmaßstab reichte zwar nicht für eine umfassende Kartierung der Vielfalt aus, veranschaulichte aber den konzeptionellen Wert von Genomdaten hoher Dichte für die Verwaltung von Genbanken, die Forschung und die Züchtung.
FAIRe Daten integrieren
Die Genbanken haben im Verlauf der Zeit phänotypische Informationen über ihre Sammlungen gesammelt. Damit Daten auffindbar, zugänglich, interoperabel und reproduzierbar(öffnet in neuem Fenster) (findable, accessible, interoperable and reusable; FAIR) werden, arbeiteten die Genbanken des Gemeinschaftsunternehmens zusammen an Datenformaten und -normen(öffnet in neuem Fenster) sowie der Datenverwaltung(öffnet in neuem Fenster), um historische Weizen- und Gerstendaten zu pflegen und neue Daten zu erzeugen. Damit wurden integrierte Analysen über die kombinierten Einzeldatensätze hinweg möglich. „Die Betrachtung einzelner Sammlungen im Kontext eines viel größeren Datensatzes ist vor allem für die Nutzung kleinerer Sammlungen von Vorteil, die möglicherweise nicht repräsentativ für die globale Variation innerhalb einer Art sind“, erläutert Stein.
Genotypische und phänotypische Informationen im klimabewussten Genbanknetzwerk
Es wurde ein definierter Satz kommerzieller pflanzengenetischer Ressourcen für Weizen und Gerste zwischen den AGENT-Genbanken ausgetauscht und an Züchtungsunternehmen und landwirtschaftliche Genossenschaften zum Zweck wiederholter, mehrjähriger Feldversuche weitergegeben. Die neu generierten phänotypischen Informationen ermöglichten zusammen mit den FAIRifizierten historischen phänotypischen und genotypischen Informationen die Identifizierung von klimatisch ähnlichen Genbankstandorten („Megaumgebungen“). Zukünftig könnten genotypische Informationen hoher Dichte und Teilmengen phänotypischer Daten über die globale Genbankpopulation dazu dienen, um Phänotypen für nicht charakterisierte Akzessionen unter vergleichbaren Bedingungen vorherzusagen. Letztlich würde eine umfassende Genotypisierung und Phänotypisierung innerhalb von Genbanksammlungen dafür sorgen, dass die durch Klimaanpassungen in der Vergangenheit geprägte pflanzengenetische Vielfalt der Forschung und Züchtung zugänglich wird. Gleichermaßen würde sie Aufschluss darüber geben, inwieweit sich die pflanzengenetischen Ressourcen seit ihrem Erwerb angepasst oder weiterentwickelt haben. „Die Arbeit von AGENT hat gezeigt, dass interdisziplinäre Zusammenarbeit und FAIRifizierte Genotypisierung und Phänotypisierung über das Potenzial verfügen, die Züchtungsbemühungen zu stärken“, erklärt Stein abschließend. „Die großmaßstäbliche Anwendung dieser Konzepte, unterstützt durch aufgestockte Finanzmittel, wird ein europäisches Genbanknetzwerk in die Lage versetzen, strategisch ausgewählte pflanzengenetische Ressourcen bereitzustellen und somit die Verbesserung von Kulturpflanzen, die Anpassung an den Klimawandel und die langfristige Ernährungssicherheit zu beschleunigen.“
