Anwendungen von GBS in der Pflanzenzüchtung und Genetik

Das Hauptziel der Pflanzengenetik und Züchtungsforschung besteht darin, die Beziehung zwischen genetischer Variation und phänotypischen Merkmalen zu untersuchen und anschließend den Ertrag, die Qualität und die Stressresistenz von Nutzpflanzen durch gezielte Verbesserungen zu steigern. Traditionelle Genotypisierungstechniken wie die Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP) und die einfachen Sequenzwiederholungen (SSR) können die Anforderungen an die genomweite Feinuntersuchung aufgrund der begrenzten Anzahl von Markern, des niedrigen Durchsatzes und der hohen Kosten nur schwer erfüllen.

Genotypisierung durch Sequenzierung (GBS), als eine vereinfachte Genomtechnologie, die auf Next-Generation-Sequenzierung (NGS), vereinfacht die Komplexität des Genoms, zielt auf spezifische Regionen ab und kombiniert sich mit Hochdurchsatz-Sequenzierung, um eine effiziente Erkennung von Mutationsstellen wie massiven Einzel-Nukleotid-Polymorphismen (SNPs) im gesamten Genom zu erreichen. Es hängt nicht von der bekannten Genomsequenz ab und weist die Eigenschaften von niedrigen Kosten und hoher Auflösung auf. Es hat die Einschränkungen traditioneller Technologien erheblich durchbrochen und wird in vielen Bereichen wie der Analyse der genetischen Vielfalt von Pflanzen, dem Bau hochdichter genetischer Karten, der Genkartierung, der molekularen Marker-unterstützten Züchtung und so weiter weit verbreitet eingesetzt.

Der Artikel erörtert, wie GBS die Einschränkungen traditioneller Genotypisierungstechniken überwindet und seine breiten Anwendungen in der Analyse der genetischen Vielfalt von Pflanzen, der Entwicklung hochdichter Marker und der erweiterten Nutzung in der Pflanzen-genetik sowie zukünftige Perspektiven.

GBS-gesteuerte Erforschung der genetischen Vielfalt von Pflanzen

Die genetische Vielfalt von Pflanzen ist die Grundlage für die Anpassung von Arten an Umweltveränderungen und die Resistenz gegen biologische Stressfaktoren. Sie ist auch eine wichtige Genressource für die Verbesserung von Nutzpflanzen. Die GBS-Technologie ist aufgrund ihrer kostengünstigen und wirtschaftlichen Vorteile zum zentralen Werkzeug zur Analyse der genetischen Vielfalt von Pflanzen geworden.

GBS kann Mutationsstellen wie SNPs im gesamten Genom effizient erkennen, indem spezifische Regionen des Genoms verdaut und sequenziert werden, was einen massiven molekularen Marker zur Analyse der genetischen Struktur von Pflanzenpopulationen bereitstellt. In der Studie natürlicher Populationen kann die GBS-Technologie den Grad der genetischen Differenzierung verschiedener geografischer Populationen genau unterscheiden.

Bei der genetischen Variationsanalyse von kultivierten und wilden Pflanzen zeigt GBS einzigartige Vorteile. Durch die GBS-Analyse von Maiskulturen und Gras (ihren wilden Vorfahren) fanden die Forscher heraus, dass etwa 10 % der Genomregionen während des Zuchtprozesses einen starken Selektionsdruck aufwiesen, und diese Regionen enthielten Schlüsselgene, die mit Ertragsmerkmalen in Verbindung stehen, was die Rolle der künstlichen Selektion bei der Gestaltung der genetischen Vielfalt offenbart.

Die GBS-Technologie liefert auch molekulare Beweise für die Erkennung von interspezifischen Hybridisierungsereignissen. In der Studie über Zitruspflanzen bestätigte die Populationsstruktur-Analyse basierend auf GBS, dass die Süßorange ein Hybrid aus Pomelo und Zitrus ist, und das Beitragsverhältnis des elterlichen Genoms bei den Nachkommen wurde bestimmt. Diese Methode überwindet die Einschränkungen der traditionellen morphologischen Identifizierung und bietet eine präzise molekulare Markerunterstützung für die Untersuchung der Artenherkunft und -evolution.

Validierung von Gerste GBS mit einer einzelnen DH-Linie (oWB003) (Elshire et al., 2011)

GBS für die Entwicklung von hochdichten Markern und Genkartierung

Hochdichte molekulare Marker bilden die Grundlage für die Genkartierung, den Aufbau genetischer Karten und die markergestützte Züchtung. Durch die Vereinfachung der Strategie der Genomsequenzierung kann die GBS-Technologie schnell eine große Anzahl von SNP-Markern entwickeln und die Auflösung der pflanzengenetischen Forschung erheblich verbessern.

SNP-Entdeckung in Nicht-Modellpflanzen

In der Markerentwicklung muss GBS keine Genominformationen im Voraus kennen, insbesondere nicht für Nicht-Modellpflanzen. Am Beispiel von mehrjährigen Obstbäumen ist ihr Genom riesig, und es gibt viele sich wiederholende Sequenzen, und die Entwicklungskosten traditioneller Marker sind hoch. Mit der GBS-Technologie entwickelten Forscher in Äpfeln auf einmal mehr als 100.000 SNP-Marker, die mehr als 50-mal so viele traditionelle SSR-Marker abdeckten, und die Marker waren gleichmäßig im Genom verteilt. Diese Marker werden nicht nur für den Bau genetischer Karten verwendet, sondern bieten auch ein hochdichtes Markerset für die genomweite Assoziationsstudie (GWAS).

Hochauflösende QTL-Kartierung in Reis

GBS zeigt eine hohe Effizienz beim Aufbau eines genetischen Karten. In der Studie zu Arabidopsis thaliana erreichte die Marker-Dichte der auf GBS basierenden genetischen Karte 10 SNPs pro cm, was nahezu 10-mal höher war als bei der traditionellen Karte, und der Mapping-Intervall der quantitativen Merkmalsloci (QTL) wurde auf weniger als 1 Mb reduziert. In Pflanzen konnte die hochdichte Karte, die durch die GBS-Analyse der Reis-Rekombinanten-Inzuchtlinie (RIL) Population erstellt wurde, erfolgreich das QTL lokalisieren, das die Anzahl der Verzweigungen steuert, in dem Gebiet, das drei Kandidatengene enthält, was die Grundlage für nachfolgende funktionale Verifikationen legte.

Genetische Vielfalt und Populationsstruktur von 192 Sojabohnen-MDP-Linien (Kim et al., 2022)

GWAS-Anwendungen in der Krankheitsresistenz

Im Bereich der Genkartierung hat sich die Kombination von GBS und GWAS zur gängigen Methode zur Analyse komplexer Merkmale entwickelt. In der GWAS-Studie zu den Pflanzenhöhe-Merkmalen von Mais wurden 500 natürliche Populationen durch GBS genotypisiert, und acht SNP-Loci wurden identifiziert, von denen zwei in der Nähe der bekannten Gene zur Regulierung der Pflanzenhöhe lagen. In der Studie zur Resistenz gegen Mehltau bei Weizen hat GWAS, unterstützt durch GBS-Technologie, nicht nur das berichtete Resistenzgen Pm21 verifiziert, sondern auch drei neue Resistenzstellen gefunden, die neue Markerressourcen für die Züchtung resistenter Sorten bereitstellten.

Darüber hinaus spielt die GBS-Technologie eine wichtige Rolle bei der Analyse des Linkage Disequilibrium (LD). Durch die Berechnung der LD-Abklingdistanz verschiedener Populationen kann die Auflösung der Genkartierung und die Populationsgröße der Assoziationsanalyse bestimmt werden. Die LD-Abklingdistanz der natürlichen Arabidopsis-Population beträgt etwa 10 kb, während die der tropischen Maispopulation 100 kb beträgt, was entscheidende Parameter für das experimentelle Design von GWAS in verschiedenen Pflanzenkulturen liefert.

Verteilung der GBS SNP-Marker in der Oregon Wolfe Gerste (OWB) Bin-Karte (Poland et al., 2012)

Wichtige Anwendungen von GBS zur Beschleunigung der Pflanzenzüchtung

Traditionelle Pflanzenzüchtung basiert auf phänotypischer Selektion, die einen langen Zyklus und geringe Effizienz aufweist. Die GBS-Technologie hat den Züchtungsprozess erheblich beschleunigt, indem sie genaue Genotypinformationen bereitstellt, und ist zum zentralen Werkzeug der molekularen Züchtung geworden.

Marker-gestützte Selektion (MAS) Effizienz

Marker-unterstützte Selektion (MAS) ist die direkteste Anwendung von GBS in der Züchtung. In der Reiszüchtung zur Resistenz gegen Reisbrand kann der SNP-Marker, der eng mit dem krankheitsresistenten Gen Pi9 verbunden ist und durch GBS entwickelt wurde, für das frühe Screening von Hybridnachkommen in der Sämlingsphase verwendet werden, wodurch der Zuchtzyklus um 2-3 Jahre verkürzt wird. In der Weizenqualitätszüchtung können durch die Erkennung der Marker, die mit dem Glutengehalt über GBS verbunden sind, Linien mit hohem Glutengehalt schnell ausgesiebt werden, und die Selektionseffizienz kann um mehr als 40 % verbessert werden.

Verteilung der GBS-Marker auf 21 Kopplungsgruppen (Yang et al., 2017)

In der Rückkreuzungszucht verbessert die Hintergrundauswahlfunktion der GBS-Technologie die Zuchtgenauigkeit erheblich. Im Prozess der Einführung des krankheitsresistenten Gens der Wildtomate in kultivierte Arten benötigt die traditionelle Rückkreuzung 6-8 Generationen, um den genetischen Hintergrund der kultivierten Arten wiederherzustellen. Der Einsatz von GBS zur Erfassung des gesamten Genomhintergrunds jeder Rückkreuzpopulation kann die Rate der genetischen Hintergrundwiederherstellung innerhalb von 3-4 Generationen auf über 98 % erhöhen, während das Zielgebiet des krankheitsresistenten Gens erhalten bleibt und die Kopplungsbelastung erheblich reduziert wird.

Heterosise-Vorhersage über genetische Distanz

GBS zeigt einen einzigartigen Wert bei der Vorhersage von Heterosis. Die Ertragsleistung von Mais-Hybriden steht in engem Zusammenhang mit dem genetischen Abstand zwischen den Eltern. Das Ertragspotenzial von Hybridkombinationen kann durch die Berechnung des genetischen Abstands zwischen Inzuchtlinien mittels GBS vorhergesagt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Genauigkeit der Vorhersage von Heterosis basierend auf dem genetischen Abstand von GBS 75 % beträgt, was 60 % niedriger ist als die Kosten der traditionellen Messung der Kombinationsfähigkeit, und bietet ein effizientes Werkzeug für die Hybridauswahl.

Bei der Populationsverbesserung hat die wiederholte Selektion, unterstützt durch GBS-Technologie, den genetischen Gewinn der Population erheblich gesteigert. Bei der Verbesserung der Stressresistenzpopulation von Sojabohnen wurde die Population nach jeder Selektionsrunde durch GBS genotypisiert, und die Häufigkeitsänderung der Stressresistenzloci wurde verfolgt, sodass die Allelfrequenz, die mit der Stressresistenz in Verbindung steht, von anfänglich 30 % auf 70 % anstieg und das Phänotyp der Stressresistenzpopulation im Durchschnitt um 25 % zunahm. Diese Methode ermöglicht eine präzise Korrelation zwischen Genotyp und Phänotyp und beschleunigt die Polymerisation ausgezeichneter Gene.

Anwendung von GBS-Markern in der Genetik von Ackerbohnen (Zhang et al., 2024)

GBS zur Verbesserung spezieller agronomischer Eigenschaften von Pflanzen

Die besonderen agronomischen Eigenschaften von Pflanzen (wie Stressresistenz, Qualität, Wachstumsperiode usw.) sind wichtige Ziele der Züchtung, und die GBS-Technologie bietet starke Unterstützung bei der Analyse der genetischen Grundlagen dieser Eigenschaften und der Realisierung einer präzisen Verbesserung.

Im Hinblick auf die Verbesserung der Stressresistenz wurde die GBS-Technologie umfassend in der Forschung zu Trockenresistenz, Salzverträglichkeit und Krankheitsresistenz bei Pflanzen eingesetzt. In der Züchtung von trockenresistentem Mais wurden die rekombinanten Inzuchtlinien unter Trockenstress durch GBS genotypisiert, und es wurden fünf QTLs zur Kontrolle der Blatttropfenbildung lokalisiert, von denen einer das Gen kodiert, das für das Dehydrationsantwortprotein verantwortlich ist. Der Ertrag von Mais wurde basierend auf der Markerauswahl dieses QTL um 15 % gesteigert.

Bei der Verbesserung von Qualitätsmerkmalen fördert die GBS-Technologie die präzise Regulierung von Nährstoffen und Verarbeitungsqualität von Pflanzen. Der Amylosegehalt in Reis ist ein entscheidendes Merkmal, das die Essqualität beeinflusst. Die nah-isogenen Linien wurden durch GBS analysiert, und das Haupt-QTL, das dieses Merkmal steuert, wurde lokalisiert. Das Kandidatengen war das Wx-Gen, und der Amylosegehalt der durch diesen Marker ausgewählten Linien war stabil im hochwertigen Bereich von 15%-20%.

Die Regulierung der Wachstumsperiode ist der Schlüssel für Pflanzen, sich an verschiedene ökologische Regionen anzupassen, und die GBS-Technologie bietet ein effizientes Mittel zur Analyse der genetischen Grundlagen der Wachstumsperiode. In der Studie zur Blütezeit von Sojabohnen wurde GBS verwendet, um Sorten aus verschiedenen Breitengraden zu genotypisieren, und es wurden zwei neue Gene gefunden, die mit der Photoperiodensensitivität in Zusammenhang stehen. Ihre allelischen Variationskombinationen können dafür sorgen, dass Sojabohnen in verschiedenen Breitengraden normal reifen.

Lese-Tiefe der GBS-Reads, die genomische Loci abdecken, die von den verschiedenen Kombinationen von Restriktionsenzymen (RE) erzeugt wurden (Zhang et al., 2024)

Darüber hinaus spielt die GBS-Technologie auch eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Toleranz gegenüber abiotischem Stress. In der Studie zur Kältetoleranz von Kartoffeln wurden zwei QTLs, die mit der Niedrigtemperatur-Saccharifizierung in Verbindung stehen, durch Genotypisierung der kältebeständigen und -empfindlichen Populationen mittels GBS lokalisiert. Der Gehalt an reduzierenden Zuckern der ausgewählten Linien nahm nach der Lagerung bei niedrigen Temperaturen um 40 % ab, was die Verarbeitungsqualität erheblich verbesserte.

Erweiterung des GBS-Nutzens in der Pflanzengenetik

Mit der Entwicklung der Technologie hat sich die Anwendung von GBS von der traditionellen Genotypisierung auf viele Bereiche ausgeweitet, was die Entwicklung der Pflanzengenetikforschung zu höherer Präzision und breiteren Dimensionen gefördert hat.

Multi-Omics-Integration

In der Integration von Multi-Omics, die Kombination von GBS mit Transkriptomik und Metabolomik bietet eine systematische Perspektive zur Analyse komplexer Merkmale. In der Studie zur Entwicklung von Maiskörnern identifizierte die Korrelationsanalyse zwischen GBS-Genotypdaten und Korn-Transkriptomdaten 12 Schlüsselgene, die die Stärke-Synthese regulieren, und die Expression von drei Genen war signifikant mit dem Stärkegehalt korreliert. In der Studie zum sekundären Stoffwechsel in Arabidopsis thaliana offenbarte die integrierte Analyse von GBS- und metabolomischen Daten das genetische Regulationsnetzwerk des Flavonoid-Synthesewegs und entdeckte zwei neue Regulationsgene.

In der Forschung zur Genetik nicht-modellierter Pflanzen überwindet die GBS-Technologie die Einschränkung eines Mangels an genomischen Informationen. Bei der Heilpflanze Salvia miltiorrhiza Bunge wurden 200 Populationen durch GBS genotypisiert, und die erste hochdichte genetische Karte wurde erstellt. Zudem wurde das QTL zur Kontrolle des Gehalts an Salvianolsäure B lokalisiert, was eine Markerressource zur Verbesserung der Qualität von Salvia miltiorrhiza Bunge bereitstellt. In der Studie zur seltenen und gefährdeten Pflanze Taxus chinensis wurde die genetische Struktur ihrer Wildpopulation mithilfe der GBS-Technologie analysiert, und es wurden drei Untergruppen mit extrem niedriger genetischer Vielfalt gefunden, was eine wissenschaftliche Grundlage für die Formulierung gezielter Schutzmaßnahmen bietet.

Epigenetische Einblicke durch methyliertes GBS

In epigenetische Forschung, GBS-Derivat-Techniken (wie methylierte GBS) bieten eine neue Methode zur Analyse epigenetischer Variation. Die GBS-Analyse der Methylierung in Reis zeigte, dass 10 % der CG-Loci im Genom unter Kältestress eine Veränderung des Methylierungsniveaus aufwiesen, und einige von ihnen lagen im Promotorbereich des Antifreeze-Gens, was darauf hindeutet, dass die epigenetische Regulation eine wichtige Rolle bei der Stressresistenz spielt. In Arabidopsis thaliana wurde die GBS-Technologie in Kombination mit der Chromatin-Immunpräzipitation-Sequenzierung (ChIP-seq) zeigt das Assoziationsmuster zwischen Histonmodifikation und SNP-Variation auf, was eine neue Idee für das Studium der Interaktion zwischen Epigenetik und genetischer Variation bietet.

Beispiel für die Platzierung von GBS SNP-Markern in genetische Bins der doppelt haploiden Mapping-Populationen (Poland et al., 2012)

Keimzellen-Fingerabdruck

Die GBS-Technologie wird häufig zur Identifizierung und Verwaltung von Genressourcen eingesetzt. Der Aufbau einer Fingerabdruckdatenbank für die Kern-Genressourcen von Pflanzen auf Basis von GBS ermöglicht die präzise Identifizierung und Rückverfolgbarkeit von Genressourcen. Die GBS-Analyse der Reiskernsammlung erstellte einen Fingerabdruck mit 100.000 SNPs und konnte erfolgreich 2.000 Sorten mit ähnlicher Morphologie unterscheiden, was molekulare Beweise für den Schutz von Genressourcen und den Schutz von geistigem Eigentum lieferte.

Fazit

Die GBS-Technologie ist zum zentralen Werkzeug der Pflanzengenetik und Züchtungsforschung geworden, steht jedoch bei der Anwendung in komplexen Genom-Pflanzen (wie Polyploiden) weiterhin vor Herausforderungen, wie z.B. der Interferenz durch wiederholte Sequenzen und der Genauigkeit der Genotypbestimmung. In Zukunft wird mit der Kombination von Langlese- und Langsequenzierungstechnologie mit GBS sowie der Optimierung bioinformatischer Werkzeuge die Auflösung und Effizienz von GBS weiter verbessert werden.

Gleichzeitig wird erwartet, dass die Kombination von GBS und künstlicher Intelligenz eine präzise Vorhersage vom Genotyp zum Phänotyp ermöglicht und die Pflanzenzüchtung in eine intelligente Ära führt. Vor dem Hintergrund der nachhaltigen Entwicklung in der Landwirtschaft wird die GBS-Technologie eine größere Rolle bei der Züchtung stressresistenter Pflanzen, der effizienten Nutzung von Ressourcen und der Sortenverbesserung spielen und entscheidende technische Unterstützung für die Gewährleistung der Ernährungssicherheit bieten.

Referenzen:

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