Pflanzenzüchtungsforschung-P3-Verbundvorhaben: "Strukturelle Genomvariation, Haplotypendiversität und das Gerste Pan-Genom - Erforschung der strukturellen Genomdiversität für die Gerstenzüchtung (SHAPE3) - Teilprojekt E"

Abstract

Das SHAPE-P3 Projekt ist ein interdisziplinäres, fortgesetztes Vorhaben zur Erforschung von struktureller Variation und zur Quantifizierung von Kern- und Pan-Genom sowie des Plastoms von Gerste. Diese Informationen bilden die Grundlage zur Einführung neuer Ansätze zur Unterstützung von innovativen Strategien in, auf genomischer Information basierender, Pflanzenzüchtung und der Erforschung natürlicher genetischer Ressourcen für die Verbesserung von Nutzpflanzen. Das Projekt baut weitgehend auf vorangegangenen Arbeiten der Projektpartner auf (SHAPE-P1, SHAPE-P2) und erweitert die bisher bekannten genomischen Ressourcen um die komplexe genetische Diversität und strukturelle Variation der Gerste für innovative und nachhaltige Gerstenzüchtung. Die direkte Zusammenarbeit mit vier führenden europäischen Gerstenzüchtern verdeutlicht die Aussagekraft und das große Potential der erstellten hoch auflösenden und hoch gesättigten genomischen Variationsmatrix für die Anwendung in genomischer Assoziationskartierung (GWAS). Zusätzlich wird gezeigt wie diese Informationen in der Züchtung zu Entscheidungen führen, die auf besserer Datenlage beruhen und die Auswahl diverser und kompatibler Haplotypen aus Sammlungen natürlicher genetischer Ressourcen ermöglichen, zur planbaren Erweiterung der genetischen Diversität und somit zur Stärkung der Zuchtprogramme. Zur Darstellung von genomischer Diversität ebenso wie klein- und großräumiger struktureller Variation und zur Schätzung des Kern- und Pangenoms von Gerste, wurden gemeinsam mit dem internationalen Gersten Pangenom Konsortium in SHAPE bis zum Ende von SHAPE-P2 bereits 70 qualitativ hochwertige Genomkartierungen erstellt. Wegen der Art wie Gerstenmaterial ausgewählt wurde, um das Pangenom zu repräsentieren, ist das enthüllte Ausmaß an existierender Variation für die praktische Pflanzenzüchtung überwältigend. Daraus ergibt sich dringender Bedarf für die Erstellung einer Pangenom – Ressource die zur Überbrückung in die praktische Züchtung dient. Das allgemeine Ziel des SHAPE P3-Projekts ist es, die Informationen des Gersten-Pan-Genoms zu vervollständigen und als grundlegende Wissensbasis für die Züchtung und Forschung zur Verfügung zu stellen. Das Pan-Genom beschreibt die vollständige, nicht-redundante Genominformation inklusive aller möglichen Unterschiede, die im Genom zweier oder mehrerer beliebiger Individuen derselben Spezies auftreten können. Diese neue Datengrundlage für Gerste, inklusive des Spektrums an Einzel-Nukleotid und Strukturvariationen (SNV, SV) wird zukünftig helfen, Zuchtmaterial in höchster Auflösung mit Daten zur natürlichen genetischen Vielfalt, sowie mit Merkmalen der Krankheitsresistenz oder allgemeiner agronomischer Bedeutung, zu verknüpfen. Als eine der wesentlichen benötigten Wissensgrundlagen wird das Pan-Genom der Gerste dazu beitragen, ein systematisches Verständnis der einfachen und komplexen Merkmalsausbildung in Abhängigkeit von Zeit und Umwelt zu gewinnen und stellt damit eine entscheidende Grundlage dar, um die heutige Gerstenzüchtung in eine neue Disziplin der Systemanalyse und -modellierung im Zeitalter der großen Datenmengen zu verwandeln. Kommentiert [JK1]: Vorschlag: …für innovative Strategien in der auf genomischer Information basierenden Pflanzenzüchtung The SHAPE-P3 project is an interdisciplinary continued effort to discover the complexity of structural variation and to estimate the dimension of the core- and pan-genome and the pan-plastome of barley. This information will provide the basis for establishing new approaches underpinning innovative strategies in genomics-based barley breeding and exploration of natural genetic resources for crop improvement. The project will build extensively on previous work of the cooperation partners (SHAPE- P1, SHAPE-P2) and extend previously established barley genomic resources to unlock the complex genomic diversity and structural variation of barley for innovative and sustainable barley breeding. By the direct interaction with four leading barley breeding companies in Germany and Europe we will demonstrate the power and potential of the generated high density and high resolution genomic variation matrix for application in genome wide association (GWAS) mapping and showcase how this information can be exploited for better informed selection of diverse and compatible haplotypes represented in natural genetic resource collections for predictable increase of genetic diversity and thus enforcing of breeding programs. To chart genomic diversity and small / large scale structural variation and to estimate the core- and pan-genomes of barley, in conjunction with the international barley pan-genome consortium, SHAPE has generated over 70 high-quality genome assemblies until the end of project phase 2. Due to the way the germplasm was selected to represent the barley pan-genome, the unraveled level of diversity is overwhelming to practical plant breeders, thus there is an urgent need to establish a further bridging pan-genome data resource.