Veredeling; Moleculair Moet….. Chris van Schie (
[email protected])
Chris van Schie, 15 Mei 2012, UvA; Blooming Breeders, Green Life Sciences meeting
ENZA Zaden: Groenten-veredelaar van Enkhuizen (1938) tot Wereldwijd Breeding Stations Europe NL SP
Breeding Stations America’s USA USA
MEX
BR
SP
San Juan Bautista (CA) Bradenton (FL)
FR
Culiacan Holambra
GER
FR
IT IT TUR
Enkhuizen Almería Albujon (Murcia) Breeding Stations Asia Allonnes IND Purwakarta Chateaurenard CH Beijing Dannstadt CH Guangdong Tarquinia Breeding Stations Oceania Sicily AUS Narromine Antalya NZ Pukekohe
Research & Development Commercial Distributors Others
• 15-25% van omzet wordt geïnvesteerd in R&D. 2
“To breed….. or not to breed” • Moderne veredeling is onmogelijk zonder ontwikkeling en toepassing van nieuwe ondersteunende technologieën.
Om als veredelaar (groenten, fruit, siergewassen) mee te kunnen en blijven doen, moet je: A. Gebruik maken van moleculaire technieken om veredeling efficiënter te maken.
B. Gebruik maken van up-to-date theoretische kennis om de juiste strategieën te kiezen.
3
“To breed….. or not to breed”
Volkskrant, Mei 2008: “De bloemen- en fruitsector heeft haar innovatie de laatste decennia vooral gezocht in verbetering van de productie en de logistiek. De investering in moleculaire technieken, waarvan de groentensector al enorm heeft geprofiteerd, moet nog plaatsvinden. De bloemen- en fruitsector loopt wat dat betreft dus twintig jaar achter.” (KeyGene, Wageningen).
4
“BREEDING SUPPORTING TECHNOLOGIES”
FLORICULTURE
VEGETABLE BREEDING
Cell & Tissue culture techniques: *In vitro propagation
+++
-
*Polyploid induction
++
-
*Doubled haploids
-
+++
*Interspecific hybridization
++
++
*Protoplast technologies
-
+
Molecular techniques: *Mutation induction / selection
++ (radiation)
+ (EMS)
*Genetic modification (EU)
- (?)
-
*Molecular marker assisted breeding
-
+++
*Breeding by design
-
+++
*Bioinformatics
-
+++ 5
Molecular Breeding
≠ Genetische Modificatie
6
Veredeling: Een nieuwe gewenste eigenschap in een commercieel ras brengen. A. Spontane mutatie/variatie
B. Gebruik natuurlijke variatie C. Creëer variatie door stimuleren van mutaties D. Breng eigenschap binnen van ongerelateerde soort (GMO) Beperkende factor ligt meestal niet in “creatie”/identificatie van gewenste eigenschap, maar in het terugvinden van de eigenschap in uitsplitsende populaties na het kruisen/combineren met andere eigenschappen. >MOLECULAIRE MARKERS!!
7
Marker assisted selection Principle marker
marker
GEN
indirecte selectie; eigenschap
(correlatie aanwezigheid marker en eigenschap)
Directe selectie >Volg Gen/DNA wat codeert voor een eigenschap, in plaats van de eigenschap zelf.
8
Marker ontwikkeling….
(schematisch voorbeeld, correlatie van aanwezigheid DNA fragmenten met eigenschap)
9
Marker assisted selection
>Volg/test eigenschap van interesse met functionele toets, onbekend hoeveel van welke ouder aanwezig is.
>Volg marker/gen verantwoordelijk voor eigenschap, en bekijk bijdrage van beide ouders tot andere markers/ genetische 10 eigenschappen.
Marker assisted selection
>Langzaam (elke plant tot bvb bloeistadium opgekweekt) >Veel werk (voor elke eigenschap een andere toets, bvb resistenties, vorm/kleur…).
>Sneller (test zaad of zaailing, duizenden tegelijk) >Makkelijker (alle eigenschappen tegelijk op zelfde materiaal getest, in een lab, met11 1 gestandaardiseerde methode).
Marker assisted selection
>Concreet: eindproduct kan 2-3-4.. generaties eerder 12 in handen zijn.
High-Resolution Melting analyse °C
Mutant/Variant *
Wild type T T AGGAC T A GC T GGT A T AGGAC T A GC T GGT
G T T A GAC T A GC T GGT A T AGGAC T A GC T GGT
AA TCC T GA T C GA CCA T A T CC T GA T C GA CCA
AA TCC T GA T C GA CCA T A T CC T GA T C GA CCA
verwarmen
Signaal-verlies °C
°C Dissociatie bij lagere temperatuur T T AGGAC T A GC T GGT A T AGGAC T A GC T GGT
AA TCC T GA T C GA CCA T A T CC T GA T C GA CCA
G T T A GAC T A GC T GGT A T AGGAC T A GC T GGT
AA TCC T GA T C GA CCA T A T CC T GA T C GA CCA
(modernere benadering voor marker selectie)
High-Resolution Melting analyse
Mutanten Wild types
Op deze manier volgt ENZA 20-Miljoen markers per jaar, dat is 80.000 per dag;
Mei 2012: “To grow wheat and evaluate it for traits in the field takes 5 to 9 years. Using genomic data, we can do it in about 6 months.” (Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture). [gebruik makend van statistische analyse van grote datasets verkregen door veel planten met veel moleculaire merkers te testen].
“To breed….. or not to breed” • Moderne veredeling is onmogelijk zonder ontwikkeling en toepassing van nieuwe ondersteunende technologieën.
Om als veredelaar (groenten, fruit, siergewassen) mee te kunnen en blijven doen, MOET je: A. Gebruik maken van moleculaire technieken om veredeling efficiënter te maken.
B. Gebruik maken van up-to-date theoretische kennis om de juiste strategieën te kiezen. Leren van andere soorten 16
Dubbelbloemigheid
17
ABC model voor bloemontwikkeling Zand-raket: Petunia: Leeuwebek: Etc….
AGAMOUS pMADS3 PLENA .. Homoloog x…
Mutatie in “C”-gen >> Stamper verdwijnt, extra laag bloemblaadjes verschijnt
Lokale expressie van “MADS-box” genen bepaalt orgaan-identiteit
Kennis van bloemontwikkelings-mechanisme, en geconserveerdheid van genen, maakt het mogelijk dubbelbloemigheid te voorspellen/creeeren in elke bloemsoort; “breeding by design” 18
Self-pruning (zelf-toppen) in tomaat.
..wordt bepaald door het SP-gen…..
19
Overeenkomst “Self-pruning” in Leeuwebek
Wild-type
CEN (“SP”) mutant
Leeuwebek SP-gen ortholoog; CEN (centroradialis) reguleert zelf-topping. Nogmaals: dit was voorspelbaar, en een mogelijkheid voor breeding by design, gebruik makend van moleculaire technieken.
20
Conclusies: • Moleculaire veredelings-technieken zijn essentieel voor efficiënte veredeling. • Niet alleen technische kennis (methodiek) is overdraagbaar tussen groenten en siergewassen, maar ook kennis over specifieke, geconserveerde eigenschappen (resistentie, stress tolerantie, groei/ontwikkeling, etc… )
21
Suggesties: >Investering in moleculair onderzoek/breeding. >Co-operatief moleculair onderzoek siergewassen.
-onderzoek met Universiteit -”proefstation” -Sierteelt R&D bedrijf... (groenten-voorbeeld, 1989: KeyGene = ENZA zaden, Rijk Zwaan, De Ruiter zaden, Vilmorin, Takii)
>Co-operatie met Groenten veredeling? 22
“To breed….. or not to breed”
Volkskrant, Mei 2008: “De bloemen- en fruitsector heeft haar innovatie de laatste decennia vooral gezocht in verbetering van de productie en de logistiek. De investering in moleculaire technieken, waarvan de groentensector al enorm heeft geprofiteerd, moet nog plaatsvinden. De bloemen- en fruitsector loopt wat dat betreft dus twintig jaar achter.” (KeyGene, Wageningen).
23
De juiste samenwerking leidt tot verkort onderzoeks-traject -20
Technische kennis
Moleculaire kennis -10
BioInformatica
Jaren
Strategie Nu
5
Product
Omdat moleculaire kennis, methodiek, strategieën, etc. “overdraagbaar” zijn tussen
gewassen, kan de sierteelt profiteren van de eerdere investeringen van onderzoekers/groenten-veredelaars, en meteen instappen (bvb in samenwerking) bij het laatste deel van het traject, op weg naar een nieuw product. 24
