Aardappel: een wereld gewas Genomica: technologie van populaties tot proteomics Prof. dr. Richard Visser Laboratorium voor Plantenveredeling, Wageningen Universiteit Waarom aardappel? 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 onderzoek & onderwijs & informatie Export waarde ca 1.7 miljard Euro/jaar (ca 40% van EU) Waarom genomica aan aardappel? 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? Genomica = onderzoek aan het hele genoom niet 1 gen maar liefst alle genen high throughput Structurele genomica Functionele genomica sequentie analyse genetische kartering fysische kartering gen, eiwit en isolatie van genen metaboliet expressie (ests) Wat is Genomica? Aantal begrippen: Phenomics: fenotyperingen van planten (populaties Transcriptomics: expressie van genen Metabolomics: inhoudstoffen karakterisatie Proteomics: eiwitten Bio-informatics: statistische interpretaties, data bestanden managen, software x-omics: environmentomics etc
Genomica kan gat tussen fenotype en genotype helpen dichten Physiology G x E Metabolic pathways Phenotype Proteome Transcriptome Genome Genotype Candidate gene approach Linkage Map QTLs Plant materiaal: Populaties Aantal in principe onbeperkt 3778-16 x RH89-039-16 3704-76 x RH89-039-16 C x E RH94 population; etc Geen mutanten, maar nakomelingen In elke kruising splitsen een groot aantal eigenschappen Extreme fenotypen aanwezig in diploiden Fenotypische variatie binnen een agronomisch relevant spectrum Mutanten en transformanten Eigenschappen splitsen Eigenschappen splitsen Alles splitst en niet alleen schilkleur of knolvorm wil men kunnen volgen
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 Genetische kaarten van aardappel aanwezig Nut van genetische kaarten Linkage Map 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) Aanwezige sequenties Ca 80.000 expressed sequence tags (est; cdnas) van verschillende weefsels (blad, knol, stolon) meer sequenties nodig positie van slechts een klein deel van deze ests op de genetische kaart is bekend fysische kaart in de maak (BACs aanwezig) Transcriptomics Gen expressie patronen verkregen met RNA fingerprinting technieken o.a. cdna-aflp, differential display subtractive libraries
10000 8000 6000 4000 2000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Markers generated with cdna -AFLP cdna micro-arrays: overview test reference labelling (A) printing (B) hybridisation (C) scanning Laser 1 Laser 2 (D) data analysis rood green cdna microarrays Micro-arrays van aardappel beschikbaar 1.000, 5.000 en 10.000 array van TGIR 2.000 dedicated array van PV/PRI nieuwe dedicated arrays Metabolomics Crossing population (in vitro) Isolation of metabolites from individuals of the crossing population and separation using H-NMR
RP-HPLC of differently substituted saponins ELS response (-) 20 25 30 35 40 45 50 Retention time (min) Plant A Plant B Plant C Plant D Plant E Plant F 0 1 2 3 4 + - - - - + + - - - + + + - - - + + - + - - - + + - - - + + Proteomics IEP (4-7) IEP (4-7) Proteomics Trypsin Mw Mw Q-TOF MS/MS Monster 1 vs Monster 2 2D-gel analysis 2D-gel Protein analysis & identification Genomic Map & Transcriptome Map QTL & Metabolomic Map Combined Mapping of metabolite or protein content of the biochemical pathway in the population QTL Metabolite Linking genetic and metabolic networks DNA sequence database Genome Informatics Pathway engineering with designer genes Generate variation in levels of natural products elicitation activation tagging knock-outs natural ecotype or wild species variation DNA marker profiling AFLP SSR Comparative database search/analysis engines Pathway modelling RNA Gene expression profiling DNA microarray cdna-aflp Identify pathway genes homology/structure based expression pattern based Metabolite/proteome HTP metabolic profiling GC/MS LC/MS FTIC MS Studies to verify and understand pathways Regulatory genes
Ontwikkeling van geavanceerde veredelings strategien (in silico veredeling) 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 hiervoor is Bio-informatica en statistiek onontbeerlijk Genomica: Resultaten 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 Aardappel en genomica Twee hoofddoelen: Merkergestuurde veredeling (snelle test op zaailingniveau voor allerlei eigenschappen, specifieke DNA merkers onafhankelijk van ontwikkelingsstadium en milieu) Identificatie en isolatie van genen die coderen voor belangrijke (kwaliteit) eigenschappen via genetische kaartgestuurde klonering en gen- en productexpressie analyse (duurzame productie van grondstoffen voor de industrie; Agrificatie) Aardappel keten bedrijven product wereld-marktaandeel areaal kweekbedrijven aardappelrassen goed (30% EU) pootgoedtelers pootgoed 80% 40.000 ha akkerbouwers zetmeelaardappels 50.000 ha frites en chips 2% 15.000 ha consumptie 80.000 ha industrie frites en chips 16% (jaarlijks ca 10% groei) a-zetmeelproducten 70% totaal 185.000 ha 8 mld kg