Neue Methode der High Throughput Sequenzierung und Genotypisierung für die Züchtung
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine neue Methode der Genotypisierung von Pflanzen zur Verwendung in Pflanzenzüchtung und Forschung. Sie beruht auf einer Sequenzierung von Teilbereichen des Genoms (geringe Tiefe) und der Ergänzung der fehlenden Daten durch die Imputation von Sequenzdaten basierend auf Haplotypenbibliotheken. Die Software gestützte Imputation führt zu einer erhöhten Leseabdeckung für den Haplotyp und ermöglicht so die parallele Genotypisierung einer sehr großen Anzahl von Varianten für eine sehr große Anzahl von Individuen. Damit übertrifft dieses Verfahren die Array-Genotypisierung hinsichtlich Kosten, Einfachheit, Leistung und Genauigkeit. Da die Kosten pro Datenpunkt um ein Vielfaches geringer sind, hat das Verfahren das Potenzial, die Array-basierte Genotypisierung in den nächsten Jahren abzulösen und möglicherweise zum "Goldstandard" in der Pflanzenzüchtung zu werden.
Problemstellung
Komplexe, aber ökonomisch wichtige Eigenschaften wie Ertrag oder Schädlingsresistenz sind schwierig zu züchten, da sie von mehreren Genen gleichzeitig beeinflusst werden. Durch die Selektion von Varianten aufgrund einer effektiven Genotypisierung verspricht man sich eine schärfere Auslese und eine höhere Verlässlichkeit bei der Auswahl geeigneter Kreuzungspartner. Gegenwärtig wird die Genotypisierung mit hohem Durchsatz hauptsächlich unter Verwendung von SNP-Arrays (Single Nucleotide Polymorphism) durchgeführt. Sie sind verhältnismäßig einfach zu verwenden und erzeugen normalerweise eine robuste Charakterisierung mit relativ wenigen Fehlern. Infolgedessen werden sie häufig für Diversitätsanalysen, genomische Selektion oder genomweite Assoziationsstudien eingesetzt. Zu den Einschränkungen der Technologie zählen aber die Komplexität und die Kosten für das Design der Arrays, ihre Unfähigkeit, De-novo-Polymorphismen zu typisieren, ihre mangelnde Flexibilität bei den enthaltenen Markern und die Kosten für die Genotypisierung, die mit der Anzahl der SNPs auf dem Array erheblich zunehmen. Darüber hinaus werden in der Regel SNPs als Array-Marker ausgewählt, die in den konservierten Regionen des Genoms liegen, d.h. sie liefern konstruktionsbedingt nur wenige Informationen zu Strukturvarianten.
Unsere Lösung
Die neue Methode zur Genotypisierung erfolgt durch eine Sequenzierung des Genoms mit einer sehr geringen Tiefe (1x anstatt von 30x) und Ergänzung der fehlenden Daten durch Imputation von Sequenzdaten basierend auf Haplotypenblöcken. Der Schlüsselaspekt der Erfindung besteht darin, eine Haplotypbibliothek, d. h. eine Sammlung von Start- und Stoppkoordinaten von Genomblöcken als Grundlage für die genotypische Imputation zu verwenden. Das Verfahren stellt fest, welche Individuen die gleichen Allele der Haplotypen tragen und führt deren Sequenzierungslesungen anschließend zusammen. Dies führt zu einer erhöhten Leseabdeckung für den Haplotyp, was die Imputation eines fehlenden Datenpunkts für die gesamte Population von Individuen ermöglicht, die denselben Haplotyp teilen. Der innovative Ansatz besteht darin, eine Haplotypbibliothek zu verwenden, um die Leseabdeckung innerhalb der Haplotypblöcke künstlich zu erhöhen. Die Genauigkeit und Effizienz der Genotypisierung, die der bei hoher Lesetiefe ähnelt, kann unter Verwendung von Sequenzierung mit niedriger Abdeckung erreicht werden.
Vorteile
- erhöhte Leseabdeckung
- Informationen zu neuen Strukturvarianten
- Einfach
- Kostengünstig
Anwendungsbereiche
Die Erfindung ermöglicht die parallele Genotypisierung einer sehr großen Anzahl von Varianten für eine große Anzahl von Individuen, die bei geringer Abdeckung sequenziert wurden (z. B. weniger als 1x) und ist deshalb für die Anwendung in der Pflanzenzucht interessant. Auch wenn die Methode bisher „nur“ auf haploiden Pflanzengenomen angewendet wurde, ist gleiches Vorgehen für nicht-haploide Organismen ebenso denkbar, indem die jeweiligen Haplotypen nach entsprechendem Phasing getrennt betrachtet werden.
- Pflanzenzucht
- Tierzucht
Entwicklungsstand
Die Erfindung kann so verwandt und in den Markt eingeführt werden.
Patentsituation
PCT Anmeldung eingereicht
Anmeldenummer: PCT/EP2021/077505, Veröffentlichungsnr. WO2022/074034
Gemeinschaftsanmeldung von der Universität Göttingen und KWS SAAT SE & Co. KGaA
Weiterführende Informationen
Pook, Torsten et al.: Improving imputation quality in BEAGLE for crop and livestock data. Genes, Genomes, Genetics 10(1), S. 177-188
Pook, Torsten et al.: Haploblocker. Creation of subgroup specific haplotype blocks and libraries. Genetics, 1045-1061
Kontakt
Christiane Bolli
Manager Patente und Lizenzen
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Tel.: +49 551 30724 156
Referenz: BioM-2285-SUG
