Wat is genomics n
In kaart brengen van genomen l l l
n
www.biosystemsgenomics.nl
Grootschalig parallel onderzoek l
Centre for Biosystems Genomics
l l
n
Humane Genoom Project Arabidopsis, Rijst Maïs, Medicago, Tomaat, Aardappel functie alle genen: transcriptomics functie alle eiwitten: proteomics functie alle metabolieten: metabolomics
Bioinformatica
Begrijpen van complexe eigenschappen DNA sequentie Transcriptie Translatie
Eiwitten Omgeving
mRNA expressie Eiwit expressie Metaboliet expressie Merkers
Biochemische Circuits
Eigenschappen
Fenotypes (eigenschap)
Genomics onderzoek is nodig n n n
Zichtbaar maken van alle genetische variatie die de natuur biedt Maximale benutting van natuurlijke genetische diversiteit in organismen Geeft snel toegang en benut genetische variatie van aardappel aanwezig in wilde soorten (genencentra)
Kansen genomics n
Duurzame plantaardige productie l l l
n
interactie tussen plant en omgeving precisielandbouw betere teeltmethoden
Voorbeelden l l l l l
effectievere bestrijding en preventie van ziekten verbetering resistentie gezonder, veiliger en beter houdbare voeding productie waardevolle metabolieten analyse en detectiemethoden
1
Genomics in Nederland n
Juni 2000: Strategisch Actieplan Genomics l l
n
n
l
agrofood biomedisch
l
Maart 2001: Commissie Wijffels l l l l l
Juni 2001: Kabinetsbesluit
investeer in genomics en bioinformatica 4 onderzoekthema’s beperkt aantal zwaartepunten topkwaliteit en sterke organisatie publiek-private samenwerking
n
n
investering: M€ 189 + ICES/KIS Nationaal Regie Orgaan Genomics
l l l l
januari 2002: Letter of Intent april 2002: Business plan juli 2002: Internationale jury geeft positief advies januari 2003: Start
l l l
n
l
n n n
n
Creeëren van wetenschappelijke, economische en maatschappelijke waarde
Rol bij transitie naar duurzaamheid n
n n
Balans tussen economische, ecologische en sociaalculturele waarden (‘people, planet, profit’)
n
n
l
l
l l l l
Agrico Research, Averis Seeds, HZPC Holland, C. Meijer, Van Rijn Enza Zaden, De Ruiter Zaden, Rijk Zwaan, Nickerson Zwaan AVEBE Keygene VAVI HPA
Keuzes en criteria n
Maatschappij vraagt om veilig en gezond voedsel van hoge kwaliteit die milieuvriendelijk wordt geproduceerd Internationale sterktes in Nederland
kwaliteit, veiligheid en gezondheid voor consument en milieu
l
verantwoord exploiteren biodiversiteit
l
l
verantwoord ondernemen met transparantie in productieketen
l
Innovatie in netwerk van kennisinstellingen, bedrijven, overheden, NGO’s Top-onderzoek verbonden met kennisimplementatie
l
l
Bedrijfsleven
Centre of Excellence in plantengenomics Onderdeel van internationale netwerken State-of-the-art genomics infrastructuur Opleiden en trainen van onderzoekers in genomics en bioinformatica Stimulerend onderzoeksklimaat gericht op exploitatie en overdracht van kennis via publicaties, IP, bio-ondernemerschap Maatschappelijke inbedding van het onderzoek
l
l
Plant Research International ATO
n
Ambitie
Inzetten genomics onderzoek als basis voor ontwikkeling van duurzame agroproductiesystemen Bijdragen aan de verbetering van de kwaliteit en veiligheid van voedsel-gewassen en afgeleide producten voor consument én milieu
Wageningen Universiteit Utrecht Universiteit Universiteit van Amsterdam Katholieke Universiteit Nijmegen
Onderzoeksinstituten l
n n
Universiteiten l
Centre for BioSystems Genomics
Missie n
Centre for BioSystems Genomics
Interdisciplinair: specialisten en generalisten uit µ, ß en g kennisdoorstroming naar maatschappij via onderwijs, communicatie en exploitatie
n
l
n n n
plant en gewaswetenschappers van wereldklasse excellent in plant genomics en beschikbare infrastructuur Nederlandse agro-industrie is innovatief en een wereldspeler synergie met andere internationale genomics initiatieven
Vertaling van duurzaamheidsconcepten naar wereldschaal Toegevoegde waarde genomics aan het innovatie proces Onderzoekthema’s Nationaal Genomics Initiatief l
duurzame plantaardige productie systemen
2
Kwaliteitsverbetering voedselgewassen voor consument en milieu Resistentie
Kwaliteit
Reductie landbouwchemicaliën
Veranderende eisen
l
Phytophthora/aardappel
l
l
koude/droogte/zout tolerantie
l l
n
n
aantrekkelijkheid, gezondheid
In de keten
Beschikbaarheid grond en water
Biosystems Genomics
n n
Analyse van de functie van alle genen, eiwitten en metabolieten van een organisme: van DNA tot inhoudsstoffen Tijdens interactie organisme en omgeving (biosysteem) Detail informatie van het geheel Basis voor duurzame productie
versheid/houdbaarheid groene grondstoffen
Complexiteit eigenschappen vereist systeem aanpak: biosystems genomics
Onderzoeksbenadering 1
Geïntegreerd onderzoeksprogramma
Scannen genoom for R and Q merkers en genen
thema’s, model en gewas Koornneef
Technologie & Bioinformatica Stiekema
Lindhout
Visser
Maatschappij
Thema 1: ziekteresistentie
de Wit
Bino
Arabidopsis
Tomaat
Gremmen
Aardappel
Onderwijs Bakker
Thema 2: kwaliteit
EST *
EST
Koppeling van genetische & metabole netwerken
Candidate genes quantitative resistance
DNA sequence database
• DNA microarray • cDNA-AFLP
Metabolite Protein
HTP metabolic profiling
n
Proteome analysis
• GC/MS • LC/MS • FTIC MS
n
Tomaat
n n
Genome Informatics
Comparative database search/analysis engines
Pathway engineering with ‘designer’ genes
n n
Pathway modeling
Identify pathway genes • homology/structure based • expression pattern based
EST cDNA
Regulatory genes
Pathway engineering to increase flux specific compounds
*
quality traits
QTL marker *
70,000 BAC Fingerprints
physical genetic map map
trait map
Toegepast
Wetenschappelijk n n
RNA
Candidate trait gene
Sterke track record om op te bouwen Aardappel
Gene expression profiling
*
AFLP
Developing and testing molecular markers by recombinant analysis
• natural ecotype or wild species variation • elicitation • activation tagging • knock-outs
horizontal resistance
AFLP
*RFLP *
Multifactoriële eigenschappen vereisen een systeembenadering
Use variation in levels of natural products
vertical resistance
*
QTL marker
AFLP
*
Onderzoeks benadering 2
R-gene marker
*
*
Smeekens
Geïntegreerde kaart
Comparative genomics Cultivars, wild species Resistance gene homologues
Candidate UHD genetic map genes quality traits
Arabidopsis
n
n n
10.000+ AFLP merker kaart R- en Q-loci gekarteerd R-genen: GPA2 en Pi Zetmeelbiosynthese
n
7.000 AFLP merker kaart R-gen loci gekarteerd Eerste schimmel Avr-gen Metaboliet engineering
n
Eerste genetische kaart en insertie mutagenese technologie Genoomproject QTL isolatie, plantontwikkeling
n
n n
n n
n n n
Veredelingsbedrijven: 80% wereld pootgoedmarkt AVEBE: zetmeel Bestaande samenwerking/netwerk Veredelaars: 35% wereld zaadmarkt Keygene: AFLP, cDNA-AFLP Bestaande samenwerking/netwerk Gene machine: uitschakeling & activatie van genen EU-PLANET Analyse biosynthese route’s (signaaltransductie, metabolieten) Microsyntenie
3
Sterke kennisbasis om op te bouwen Algemeen Aardappel
n n n
Tomaat
n n n n
Arabidopsis
n n n n
Resistentie en Kwaliteit
Geïntegreerde kaart van genetische en eigenschappen 60.000 ESTs, BAC libraries, fysische kaart, micro-arrays Biodiversiteit, syntenie
n
Verzadigde genetische kaart 160,000 EST’s, BAC, YAC libraries, micro-arrays Mutanten, biodiversiteit, syntenie Tomato Genome Initiative Genoomsequentie Insertie en activatie-tagged mutanten Micro-arrays, X-omics Ecotypes
n
n n
Accessies, populaties, R en Q loci Phytophthora: fysio collecties, AFLP maps, BACs, ESTs Kennis R en Q eigenschappen
n n n
n
Splitsende populaties QTLs plant performance (bloeitijd) Interactie met oomyceten
n
Sink-source relatie
n n
Aardappel-P.infestans interactie l l l
n
l l l
n
analyse interactie: cDNA-AFLP, micro-arrays and VIGS signaaltransductie route’s via proteomics inzicht in diversiteit en evolutie R-genen
Arabidopsis-oomyceet interactie l l
n
Diepgaande kennis van plantpathogen interactie l
n
l l
n n
moleculaire mechanisme priming resistentie functionele en vergelijkende analyse
n
Kartering l l l
n
fysische kartering in aardappel en tomaat via FISH technologie kartering associatie R en Q eigenschappen in aardappel en tomaat conservering en analyse van resistentie eigenschappen
Genen/merkers voor resistentie l
aardappel/ Phytophthora evolutie resistentiegenen
l
n
l
n n
Phytophthora resistentie In silico ontworpen duurzame resistentie
Genen/merkers voor kwaliteit l
kwaliteit source-sink relaties adaptatie aan (a)biotic stress
Syntenie Arabidopsis/tomato/potato Translatie naar algemene fenomenen
aardappel: knolvorming, kieming, chipping, koken, zetmeel, opbrengst tomaat: smaak, voeding, gezondheid, vaste stoffen, opbrengst
Kennis om metabole route’s te modificeren Van model naar gewas
Resultaten thema kwaliteit n
Aardappel l l l
n
l l l
n
genetica van kwaliteitseigenschappen via een gerichte QTL benadering gerichte diagnostische DNA micro-arrays, cDNA-AFLP overzicht van extreme genotypes via x-omics methoden
Tomaat screening veredelingslijnen: smaakpanels, karteren, x-omics koppeling genen aan eigenschappen: cDNA-AFLP, micro-arrays tracing and tracking x-omics methoden
Arabidopsis metaboliet compositie l l
Resultaten genoom analysis
n
Diegaande kennis van plant metabole netwerken en performance QTLs l
elicitor-receptor interactie genen identificatie van nieuwe bronnen van resistentie
Tomaat - pathogeen interactie
Toegepast
Wetenschappelijk
l
Chromosoom 6 fysische kaart R-genen Metabolomics, synthese engineering (lycopeen, linalol, quercetine) QTL vruchtgrootte
Resultaten thema resistentie n
Overview verwachte resultaten
genetische bron en platform voor activatie-tagging genen betrokken bij regulatie
Onderzoek in breder verband n n n
LNV, NWO, STW, Senter, Bedrijven Initiatief EU (EPGI/EPSO) Phytophthora parapluplan: 1 Genomics P. infestans
2 Genomics aardappel
3 Nieuwe bronnen van resistentie
Analyse DNA sequentie genoom l l l
fysische kaart top chromosoom 6 tomaat gerichte sequencing R en Q regio’s chromosome 6 tomaat R-gen profilering aardappelgenoom
7 Communicatie
6 DSS systemen
Integrale kennis
Praktijk
4 Epidemiologie P. infestans
5 Populatiegenetica P. infestans
4
International plant genomics initiatives Sweden, poplar UK, Garnet Arabidopsis France, Genoplante Arabidopsis, wheat, corn, rice, rapeseed, sunflower, pea
NL, CBSG Arabidopsis, potato, tomato
Maatschappij en Genomics
n
`Licence to innovate, produce and sell` l l
Canada corn, wheat, rapeseed, potato
VS Arabidopsis, rice, corn, wheat, soya, cotton, tomato, potato, Medicago
l
Japan, Germany, GABI Arabidopsis, barley, China rice, Lotus corn, sugarbeet, poplar, rye,rape seed
n
verantwoord inbedden in maatschappelijke context voortdurende reflectie op de maatschappelijke component bevorderen maatschappelijk debat over de betekenis en gevolgen
Onderzoek, beleidsadviezen, debatten, onderwijs en workshops
5
