Gatersleben, Germany
12.06.2020
Comparison of the hybrid (middle) with its two parent lines (right and left).
The more diverse in genetics, than better. But only in cases of similar preferences. A team of researchers led by IPK Gatersleben has succeeded in providing answers to a long unsolved question in the breeding of plant hybrids.
It has shown that hybrids become more and more productive depending on the genetic distance between their parents. The question of whether there is an optmimal genetic distance could definitely be answered negatively. Assuming that the parents are adapted to similar environments. This research result can be read in the next issue of the scientific journal "Science Advances".
For decades plant breeding has made use of the heterosis phenomenon: parents genetically as different as possible are crossed to produce offspring performing better than their parents on average. The so-called hybrid breeding is applied very successfully for maize, sugar beet, rye or sunflower. The maximum genetic distance between the parents to generate the best hybrid performance could not be clarified until now. Two studies in the 1960s came up with contradictory results. While one suggested that the genetic distance of the parents should be maximised, the other suggested that the increased performance of the offspring decreases again from a certain point of diversity.
Evaluation of heterosis for grain yield in field trial. Photos: Norman Philipp/ IPK
"Thanks to progress in quantitative genetics, we were able to show that there is no optimum for the genetic distance of the parents," explains Prof. Dr. Jochen Reif. He heads the Department of Breeding Research at the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) and the affiliated Quantitative Genetics research group there. As the scientific coordinator of the research task, he knows: "Heterosis increases steadily with the genetic distance between the parents. Parent populations can be as far apart as possible without their offspring losing performance." This is a decisive finding for plant breeding, since it is no longer necessary to fear that the optimal genetic distance has been missed. However, it is important to be careful when it comes to the origin of the parent populations. The geneticist explains: "Parent populations must be adapted to the environment in which their offspring are to be cultivated, otherwise negative dominance effects can occur.”
The team led by IPK Gatersleben was able to come to these results as part of a large-scale research cooperation project called ZUCHTWERT. It was funded by the Fereral Federal Ministry of Food and Agriculture and carried out by IPK Gatersleben, the State Plant Breeding Institute (Landessaatzuchtanstalt - LSA) at the University of Hohenheim and 15 well-known plant breeding companies. "Thanks to our latest developments in biometry and quantitative genetics, coupled with the extensive data material from the breeding industry, we were finally able to bring clarity to this long-standing issue," summarises Prof. Dr. Jochen Reif, adding: "In future, plant breeding will be able to select crossing partners on a rational basis for breeding new hybrid varieties, even for an organism as complex as wheat.
Original publication: Boeven et al. (2020), Negative dominance and dominance-bydominance epistatic effects reduce grain-yield heterosis in wide crosses in wheat, Sciences Advances, DOI 10.1126/sciadv.aay4897
Die besten Eltern: Genetisch möglichst divers mit ähnlichen Vorlieben
Je diverser in der Genetik, desto besser. Aber nur bei ähnlichen Vorlieben. Einem Forscherteam unter Leitung des IPK Gatersleben ist es gelungen, die Antwort auf eine lange ungelöste Fragestellung bei der Züchtung von Pflanzenhybriden zu liefern.
So belegte es, dass Hybriden immer leistungsstärker werden, je weiter ihre Eltern genetisch voneinander entfernt sind. Die Frage, ob es eine ideale genetische Distanz gibt, konnte definitiv verneint werden. Vorausgesetzt, die Eltern sind an vergleichbare Standorte angepasst. Dieses Forschungsergebnis ist in der jüngsten Ausgabe der wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Science Advances“ nachzulesen.
Die Pflanzenzüchtung greift seit Jahrzehnten auf das Phänomen Heterosis zurück: Genetisch möglichst unterschiedliche Eltern werden gekreuzt, um Nachkommen zu erzeugen, die leistungsstärker sind als ihre Eltern im Durchschnitt. Die sogenannte Hybridzüchtung wird sehr erfolgreich bei Mais, Zuckerrübe, Roggen oder Sonnenblume eingesetzt. Wie weit die genetische Distanz der Eltern sein darf, um die maximale Leistung der Hybriden hervorzurufen, konnte wissenschaftlich bis vor Kurzem nicht eindeutig geklärt werden. Zwei Studien in den 1960er Jahren brachten widersprüchliche Ergebnisse. Während die eine darauf hindeutete, dass die genetische Distanz der Eltern maximiert werden sollte, legte die andere nahe, dass die Mehrleistung der Nachkommen ab einem gewissen Punkt der Diversität wieder abnimmt.
„Mithilfe der Fortschritte in der Quantitativen Genetik gelang es uns zu belegen, dass es kein Optimum für die genetische Distanz der Eltern gibt“, erklärt Prof. Dr. Jochen Reif. Er leitet die Abteilung Züchtungsforschung am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und die dort angegliederte Arbeitsgruppe Quantitative Genetik. Als wissenschaftlicher Koordinator der Forschungsaufgabe weiß er: „Die Heterosis steigt mit der genetischen Distanz der Eltern stetig an. Elternpopulationen können so weit auseinander liegen wie möglich, ohne dass ihre Nachkommen in der Leistung abfallen.“ Für die Pflanzenzüchtung sei das eine entscheidende Erkenntnis, brauche sie doch nicht weiter zu befürchten, die optimale genetische Distanz verpasst zu haben. Achtung sei jedoch geboten, wenn es um die Herkunft der Elternpopulationen gehe. Der Genetiker erläutert: „Die Elternpopulationen müssen an die Umwelt angepasst sein, in der ihre Nachkommen angebaut werden sollen, sonst können negative Dominanzeffekte entstehen.“
Zu diesen Ergebnissen konnte das Team unter Leitung des IPK Gatersleben im Rahmen einer groß angelegten Forschungskooperation mit dem Namen ZUCHTWERT kommen. Es wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert und neben dem IPK Gatersleben von der Landessaatzuchtanstalt der Universität Hohenheim sowie 15 namhaften Pflanzenzüchtungsunternehmen durchgeführt. „Durch unsere neuesten Entwicklungen in der Biometrie und der Quantitativen Genetik, gepaart mit dem umfangreichen Datenmaterial aus der Züchtungsindustrie, konnten wir endlich Klarheit in diese langjährige Fragestellung bringen“, resümiert Prof. Dr. Jochen Reif und ergänzt: „Zukünftig wird die Pflanzenzüchtung auf rationaler Basis Kreuzungspartner für die Züchtung neuer Hybridsorten auswählen können, selbst für einen so komplexen Organismus wie Weizen.“
Originalpublikation: Boeven et al. (2020), Negative dominance and dominance-bydominance epistatic effects reduce grain-yield heterosis in wide crosses in wheat. Science Advances, DOI 10.1126/sciadv.aay4897
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