Honeycrisp-Genom wird Wissenschaftlern helfen, bessere Äpfel zu züchten

Ein Forscherteam der Cornell University hat das Honeycrisp-Apfelgenom sequenziert, ein Segen für Wissenschaftler und Züchter, die mit dieser beliebten und wirtschaftlich wichtigen Sorte arbeiten.

Das mit modernsten Technologien sequenzierte Genom, das auf Open-Source-Basis für jedermann zugänglich ist, bietet eine wertvolle Ressource zum Verständnis der genetischen Basis wichtiger Merkmale in Äpfeln und anderen Baumobstarten, die verwendet werden können um die Zuchtbemühungen zu verbessern, so das Papier.

Die US-Apfelindustrie ist jährlich 23 Milliarden Dollar wert, und Honeycrisp ist ihre wertvollste Sorte, die den Erzeugern ungefähr den doppelten Wert pro Pfund bringt als die zweitwertvollste Sorte Fuji. Aufgrund seiner günstigen Eigenschaften, einschließlich Knusprigkeit, Geschmack, Kälteresistenz und Resistenz gegen Apfelschorfpilzkrankheiten, haben Züchter Honeycrisp als Elternteil in neun neuen Sorten auf dem Markt verwendet, darunter das von der Cornell University entwickelte Snapdragon.

Gleichzeitig kann der Anbau von Honeycrisp eine Herausforderung sein.

„Obwohl es viele positive Eigenschaften hat, ist es eine der am schwierigsten anzubauenden Apfelsorten im Produktionssystem auf Obstplantagen; es leidet unter vielen physiologischen Problemen und Problemen nach der Ernte“, sagte Awais Khan, außerordentlicher Professor an der School of Integrative Plant Science bei Cornell AgriTech und Erst- und Mitautor des Artikels „A Phased, Chromosome-scale Genome of Honeycrisp Apple“, der letzten Monat in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Gigabyte.

Für den Anfang haben Honeycrisp-Bäume Schwierigkeiten, alleine genug Nährstoffe zu bekommen, und benötigen ein spezielles Nährstoffmanagementprogramm für gute Erträge und Gesundheit, sagte Khan. Ohne ein solches Management entwickeln die Bäume häufig eine „zonale Blattchlorose“, bei der die Blätter aufgrund von Kohlenhydrat- und Nährstoffungleichgewichten gelb werden und sich kräuseln.

Honeycrisp-Äpfel sind auch anfällig für Störungen wie bittere Kerne aufgrund von Kalziumungleichgewichten und bittere Fäulnis, eine Pilzinfektion. Solche Probleme sind grundsätzlich genetisch kontrolliert, obwohl unsachgemäße Handhabung und Lagerung nach der Ernte sie verschlimmern können.

„Wenn wir das Genom und die Gene in Honeycrisp nicht kennen, können wir nicht spezifisch auf günstige Merkmale abzielen und selektieren und ungünstige Merkmale durch Züchtung aussondern“, sagte Khan.

Fortschritte in der genetischen Sequenzierungstechnologie machten es möglich, das Honeycrisp-Genom in kurzer Zeit zu sequenzieren, zusammenzusetzen und zu veröffentlichen. Im Allgemeinen ist das Apfelgenom, das erstmals 2010 mit der Sorte Golden Delicious sequenziert wurde, komplex, groß und heterozygot, was bedeutet, dass es viele Versionen spezifischer Gene gibt.

Es gibt auch viele wiederholte Sequenzen im Apfelgenom. Als 2010 das erste Apfelgenom veröffentlicht wurde, konnten Technologien nur kurze DNA-Fragmente auf einmal lesen, sagen wir 150 Buchstaben. Wissenschaftler würden dann Sequenzen von vielleicht 50 Buchstaben überlappen und wie bei einem Puzzle Computerprogramme und Algorithmen verwenden, um das Ende einer Lesung mit dem Beginn einer anderen abzugleichen. Dadurch konnten sie längere DNA-Stränge zusammensetzen, um ganze Gene und schließlich das Genom zu identifizieren. Ein Problem bei dieser Methode besteht jedoch darin, dass wiederholte Elemente den Prozess verwirren können.

In dieser Studie verwendeten die Forscher eine Kombination aktueller Sequenzierungstechnologien namens PacBio HiFi, Omni-C und Illumina, die lange Lesevorgänge genetischer Sequenzen übersetzten.

„Wir können das gesamte größere Fragment der DNA-Sequenz kontinuierlich sequenzieren, sodass wir nicht diese großen Herausforderungen der Computerbiologie oder Bioinformatik haben, um die überlappenden Sequenzen zusammenzusetzen und zu finden“, sagte Khan.

Die Long-Read-Sequenzierung half ihnen auch dabei, das diploide Genom des Apfels zu entschlüsseln; Äpfel haben wie Menschen zwei Chromosomensätze, einen von jedem Elternteil. Die neuen Technologien ermöglichten es den Forschern, zwei einzelne Chromosomensätze zu sequenzieren, die in zukünftigen Arbeiten verwendet werden könnten, um zwischen spezifischen genetischen Beiträgen jedes Elternteils zu unterscheiden.

Mit diesen fortschrittlichen Methoden deckte das Honeycrisp-Genom 97 % aller proteinkodierenden Gene ab. Im Vergleich dazu deckte die Genom-Assemblierung von Golden Delicious 2010 nur 68 % der Gene ab.

Diese Forschung ist eine Zusammenarbeit zwischen der Cornell University, Alex Harkess vom HudsonAlpha Institute for Biotechnology und der Auburn University und Loren Honaas vom Tree Fruit Research Lab des US Department of Agriculture Agricultural Research Service (USDA-ARS) in Wenatchee, Washington.