Genomica: technologie van populaties tot proteomics

Aardappel: een wereld gewas

Genomica: technologie van populaties tot proteomics Prof. dr. Richard Visser Laboratorium voor Plantenveredeling, Wageningen Universiteit

Wageningen Potato Centre


Waarom genomica aan aardappel?

Waarom aardappel? n n

n

Aardappel is belangrijkste akkerbouwgewas in Nederland en 4de voedselgewas in de wereld Nederland heeft een sterke positie en is wereldmarktleider op gebied van productie en export van pootgoed, frites en chips en aardappelzetmeel producten Hoge graad van technologie in alle sectoren dankzij l

n

n

n n

onderzoek & onderwijs & informatie

Export waarde ca 1.7 miljard Euro/jaar (ca 40% van EU)

n

Nederland speelt een belangrijke rol op de wereldmarkt van aardappel en andere gewassen uit de familie van de Solanaceae, zoals tomaat, aubergine, peper en paprika Innovatie op veredelingsgebied essentieel vanwege lange duur van rasontwikkeling (15-25 jaar) (Nog) geen aardappel genomica initiatief in andere landen Aantal complexe problemen vragen om grote alternatieve geïntegreerde onderzoeksprojecten ---> Genomica kan een bijdrage leveren



Wat is Genomica?

Wat is Genomica?

Genomica = onderzoek aan het hele genoom l l

niet 1 gen maar liefst alle genen high throughput

Structurele genomica sequentie analyse l fysische kartering l isolatie van genen (ests) l


l

Phenomics: fenotyperingen van planten (populaties Transcriptomics: expressie van genen n Metabolomics: inhoudstoffen karakterisatie n Proteomics: eiwitten n Bio-informatics: statistische interpretaties, data bestanden managen, software n x-omics: environmentomics etc n n

Functionele genomica l

Aantal begrippen:

genetische kartering gen, eiwit en metaboliet expressie


1

Genomica kan gat tussen fenotype en genotype helpen dichten

Phenotype Physiology

Genome Transcriptome Proteome

Metabolome

Candidate gene approach

Metabolome Proteome

GxE

Transcriptome Genome Linkage Map QTLs

Metabolic pathways

Genotype


Plant materiaal: Populaties


Aantal in principe onbeperkt

3778-16 x RH89-039-16 3704-76 x RH89-039-16 CxE RH94 population; etc Geen mutanten, maar nakomelingen In elke kruising splitsen een groot aantal eigenschappen n Extreme fenotypen aanwezig in diploiden n Fenotypische variatie binnen een agronomisch relevant spectrum n Mutanten en transformanten n n


Eigenschappen splitsen


Eigenschappen splitsen

‘Alles’ splitst en niet alleen schilkleur of knolvorm wil men kunnen volgen



2

Planten kunnen “gefingerprint” worden door DNA te isoleren en dat zichtbaar te maken. Elke plant heeft een uniek patroon en kan dus van een andere plant onderscheiden worden



Nut van genetische kaarten Linkage Map

n n

n n n

Genetische kaarten van aardappel aanwezig

Aanwezige sequenties

Positie informatie van DNA Merkers Maakt het karteren van eigenschappen mogelijk

Merker gestuurde veredeling mogelijk Positionele clonering mogelijk (van functie naar gen) Ultra dichte genetische kaart van aardappel is aanwezig (> 12.000 merkers)



n

Ca 80.000 expressed sequence tags (est; cDNAs) van verschillende weefsels (blad, knol, stolon)

n

meer sequenties nodig

n

positie van slechts een klein deel van deze ests op de genetische kaart is bekend

n

fysische kaart in de maak (BACs aanwezig)


Metabolome

Transcriptomics Gen expressie patronen verkregen met RNA fingerprinting technieken o.a. cDNA-AFLP, differential display

n

n


subtractive libraries


3

Markers generated with cDNA -AFLP

cDNA micro-arrays: overview test

reference

labelling

(B) hybridisation

(A) printing

(C) scanning

Laser 1 Laser 2 10000

rood

8000

(D) data analysis

6000

4000

2000

0 0


2000

4000

6000

green

8000

10000


cDNA microarrays Micro-arrays van aardappel beschikbaar n

1.000, 5.000 en 10.000 array van TGIR

n

2.000 dedicated array van PV/PRI

n

nieuwe dedicated arrays



Metabolome

Metabolomics Crossing population (in vitro)


Isolation of metabolites from individuals of the crossing population and separation using H-NMR


4

RP-HPLC of differently substituted saponins


Metabolome

0 1 2 3 4 -

-

-

Plant B

+ + -

-

-

Plant C Plant D

+ + + - - + + - +

Plant E

- - -

+ +

Plant F

- - -

+ +

ELS response (-)

Plant A

20

25

30

35

40

45

+ -

50

Retention time (min)



Proteomics

Proteomics

IEP (4-7)

IEP (4-7)

Trypsin Mw

Mw

Q-TOF MS/MS

Monster 1 2D-gel analysis

vs

2D-gel

Monster 2

Protein analysis & identification



Genomic Map & Transcriptome Map

Generate variation in levels of natural products

QTL & Metabolomic Map Combined Candidate gene

Linking genetic and metabolic networks

Candidate gene

Candidate gene

Mapping of metabolite or protein content of the biochemical pathway in the population

DNA sequence database

Candidate gene

elicitation activation tagging knock-outs natural ecotype or wild species variation

DNA

RNA

Metabolite/proteome

marker profiling

Gene expression profiling

HTP metabolic profiling

• AFLP • SSR

Metabolite

• DNA microarray • cDNA-AFLP

• GC/MS • LC/MS • FTIC MS

Comparative database search/analysis engines Pathway modelling

QTL Candidate gene

Genome Informatics

• • • •

Pathway engineering with ‘designer’ genes

Identify pathway genes • homology/structure based • expression pattern based

Regulatory genes

Studies to verify and understand pathways


5

Ontwikkeling van geavanceerde veredelings

Genomica: Resultaten

strategien (in silico veredeling) n n n

Zeer grote data sets die beheerd moeten worden en toegankelijk moeten zijn Algoritmen voor herkenning van genen en voorspelling van functies en interacties nodig Keuze van íntelligente experimenten wordt nog belangrijker

n n n n n

n

moleculaire merkers voor belangrijke (kwaliteit) eigenschappen (diagnostiek voor snelle veredeling) overzicht van in wilde soorten aanwezige nuttige eigenschappen en allelen nieuwe producten genen, kennis en patenten nieuwe rassen

hiervoor is Bio-informatica en statistiek onontbeerlijk



Aardappel en genomica

Aardappel keten

Twee hoofddoelen: n Merkergestuurde veredeling (snelle test op zaailingniveau voor allerlei eigenschappen, specifieke DNA merkers onafhankelijk van ontwikkelingsstadium en milieu) n Identificatie en isolatie van genen die coderen voor belangrijke (kwaliteit) eigenschappen via genetische kaartgestuurde klonering en genen productexpressie analyse (duurzame productie van grondstoffen voor de industrie; Agrificatie)

bedrijven

product

wereld-marktaandeel

kweekbedrijven pootgoedtelers 40.000 ha akkerbouwers

aardappelrassen pootgoed

goed (30% EU) 80%

zetmeelaardappels frites en chips consumptie frites en chips a-zetmeelproducten

50.000 ha 15.000 ha 80.000 ha 16% (jaarlijks ca 10% groei) 70%



industrie

totaal

areaal

2%

185.000 ha 8 mld kg

6

Genomica: technologie van populaties tot proteomics

Recommend Documents