Wir leben in einer sich ständig verändernden und wachsenden Welt. Klimaveränderungen, neue Schädlinge und andere Umweltbelastungen setzen die marktwirtschaftlich wertvollen Nutzpflanzen, die die Welt ernähren und mit Energie versorgen, unter Druck. Während wir darum wetteifern, die wachsende Nachfrage nach nachhaltigen und hochwertigen Nahrungsmitteln und Faserpflanzen zu befriedigen, erweist sich die Genomik als mächtiges Instrument im Kampf dagegen. Durch das Verständnis der genetischen Codes von Pflanzen können Forscher und Züchter Nutzpflanzen mit höheren Erträgen, verbesserter Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten und größerer Anpassungsfähigkeit an Umweltprobleme entwickeln.
Von der genombasierten Züchtung profitieren vor allem Nutzpflanzen mit vorhandenen hochwertigen genomischen Ressourcen, wie Reis und Weizen. Nutzpflanzen mit weniger ausgereiften genomischen Ressourcen müssen jedoch weiterhin auf traditionelle Züchtungsmethoden zurückgreifen, die manchmal unter einem Mangel an genomischer Vielfalt innerhalb der Zuchtpopulationen leiden.
Baumwolle, eine weltweit wichtige Nutzpflanze, verfügt nicht über robuste genomische Ressourcen. Die Baumwollindustrie ist ein großes Geschäft mit einem globalen Wirtschaftswert von 600 Milliarden Dollar und bietet Arbeitsplätze für mehr als 250 Millionen Menschen. Eine erfolgreiche Baumwollproduktion hängt von Baumwollsorten mit wünschenswerten Eigenschaften wie hohem Ertrag, guter Faserqualität, Schädlings- und Krankheitsresistenz und Dürretoleranz ab.
„Baumwollzüchter haben im Laufe der Jahre mithilfe traditioneller Züchtungsmethoden den Faserertrag und die Qualität verbessert“, sagt Jeremy Schmutz, Co-Direktor des HudsonAlpha Genome Sequencing Center, der seit über einem Jahrzehnt an der Baumwollgenomik arbeitet. „Weitere Verbesserungen zu erzielen, könnte für sie schwierig sein, da es bei der modernen kultivierten Baumwolle keine genetische Variation gibt. Die Entwicklung neuer genomischer Werkzeuge für die Industrie wird dazu beitragen, die Baumwollverbesserungen auf die nächste Stufe zu heben.“
Wissenschaftler des HudsonAlpha Institute for Biotechnology Genome Sequencing Center (GSC) und andere Mitarbeiter haben sich zum Ziel gesetzt, hochwertige Genomsequenzen für drei wichtige Baumwollsorten zu erstellen, um Baumwollzüchtern die notwendigen Genomressourcen bereitzustellen. Die Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht In Natur Pflanzen.
„Die Baumwollforschung stützte sich bisher stark auf ein Referenzgenom, ‚TM1‘, eine Baumwollsorte, die in Zuchtprogrammen nicht mehr weit verbreitet ist“, sagt Avinash Sreedasyam, Ph.D., Erstautor des Manuskripts. „Damit die molekulare Züchtung der Baumwollindustrie zugutekommt, müssen viele unterschiedliche Genome existieren, um die Vielfalt der Baumwollsorten abzubilden. Diese Studie hat hochwertige Referenzgenome für drei moderne Hochland-Baumwollsorten erstellt und die genetische Standardreferenz ‚TM-1‘ für Baumwolle aktualisiert.“
Die erste Analyse der neuen Referenzgenome lieferte wichtige Informationen über die Faserqualität. Die hochpräzisen und vollständigen Genomzusammenstellungen wurden verwendet, um genetisches Material von Pima-Baumwolle (bekannt für hervorragende Faserqualität) in modernen Baumwollsorten zu identifizieren. Kleine Segmente jedes Genoms wurden sowohl mit dem Genom von Pima-Baumwolle als auch mit dem des Referenzbaumwollgenoms verglichen.
Segmente, die Pima näher kamen als der Referenzbaumwolle, wurden als mögliche Introgressionen eingestuft, was darauf schließen lässt, dass Pima-DNA in das Erbgut der modernen Baumwolle aufgenommen wurde. Das Wissen über diese Pima-Introgressionen wird Züchtern helfen, in ihren Zuchtprogrammen Nachkommen mit diesen mit der Faserqualität verbundenen genetischen Markern effizient auszuwählen.
„Durch die Nutzung der relativ kostengünstigen Low-Pass-Sequenzierung zusammen mit diesen Genomen können Züchter ihre Nachkommen rasch auswählen“, sagt Sreedasyam. „Das spart nicht nur Zeit, sondern senkt auch die Kosten, die mit der traditionellen Faserphänotypisierung verbunden sind, einem mühsamen Prozess, der normalerweise Hunderte bis Tausende von Proben pro Zuchtzyklus erfordert.“
Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung der Verwendung detaillierter Genomzusammenstellungen zur Aufdeckung genetischer Variationen, die Baumwollzuchtprogramme verbessern können. Je mehr diese neuen, hochwertigen Genome für Vergleichsstudien verwendet werden, desto mehr Informationen über wirtschaftlich wichtige Baumwollmerkmale werden ans Licht kommen. Die in dieser Studie beschriebenen genomischen Ressourcen stellen eine wertvolle Ergänzung des Werkzeugkastens für die Baumwollzucht dar und werden in den kommenden Jahren von Nutzen sein.
Zu den Mitarbeitern dieses Projekts gehören Don C. Jones, Cotton Incorporated, NC; Peng W. Chee, University of Georgia, Tifton, GA; Warwick N. Stiller, CSIRO, Cotton Research Unit, Australien; und Fred Bourland, University of Arkansas, Keiser, AR.
Mehr Informationen:
Avinash Sreedasyam et al., Genomressourcen für drei moderne Baumwolllinien leiten zukünftige Züchtungsbemühungen, Natur Pflanzen (2024). DOI: 10.1038/s41477-024-01713-z