Entwicklung von statistisch-genomischen Werkzeugen zur Entschlüsselung der genetischen Architektur der Heterosis unter Verwendung von tiefen Sequenzdaten

• Antragsteller: Dr. Yong Jiang
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540803247

Heterosis ist der Vorteil einer Hybride gegenüber den Eltern. Obwohl Heterosis in der Züchtung genutzt wird, ist die genetische Basis nicht geklärt. Zur Erklärung der Heterosis wurden die Dominanz-, Überdominanz- und Epistasiehypothese vorgeschlagen, die sich nicht gegenseitig ausschließen. Da die Heterosis häufig ein polygenes Merkmal ist, wurde die genetische Grundlage häufig mit quantitativ-genetischen Ansätzen untersucht. Frühere Studien basierten meist auf biparentalen Populationen, für die 2007 von Melchinger ein systemorientierter Ansatz entwickelt wurde, der Dominanz und Epistasie gemeinsam berücksichtigt. Diese Ergebnisse sind nur begrenzt allgemeingültig, da sie stark von den beiden Elternlinien abhängen können. Inspiriert von Melchingers Arbeit haben wir 2017 einen Ansatz für die Untersuchung von Heterosis für genetisch diverse Hybridpopulationen entwickelt. Da das Kopplungsungleichgewicht in solchen Populationen schnell abfällt, sollten dichte Markerdaten genutzt werden, wie Sequenzierung des Genoms (WGS). Das hat den Vorteil, dass Fehlinterpretation der Resultate aufgrund von Pseudo-Epistasie, bei dem der epistatische Effekt zwischen zwei Loci durch den Haupteffekt eines unbeobachteten Locus erklärt wird, minimiert werden. Mehrere Studien zur Heterosis bei Reis und Mais nutzten WGS-Daten. Epistatisie wurde hierbei entweder nicht berücksichtigt oder auf Interaktionen zwischen Markern mit signifikantem Dominanzeffekt beschränkt. Daher gibt es keine Studien, die auf einem Ansatz beruhen, der Dominanz und Epistasie gemeinsam berücksichtigt und eine große, diverse Hybridpopulation mit WGS-Daten verwendet. Das Prinzip unseres etablierten quantitativ-genetischen Rahmens ist für diesen Zweck grundsätzlich geeignet, aber das mathematische Modell ist rechnerisch nicht in der Lage, Datensätze mit Tausenden von Individuen und Millionen von Markern zu analysieren. Daher ist das Ziel des Projekts, effiziente statistisch-genomische Werkzeuge zu entwickeln, die das bestehende quantitativ-genetische Rahmenwerk für die Untersuchung der genetischen Grundlage der Heterosis verbessert. Das Herzstück wird ein mathematisches Modell sein, mit dem der heterotische Effekt jedes Markers direkt getestet werden kann, anstatt einen 2-dimensionalen Scan aller digenischen epistatischen Effekte durchzuführen um diese in heterotische Effekte zu integrieren. Für einen Datensatz mit 1.000 Individuen und 1.000.000 Markern, wird das neue Modell ~100 mal schneller sein als das derzeitige. Weiterhin hat das neue Modell das Potenzial, als neuer GWAS-Algorithmus verallgemeinert zu werden, der mit mehreren Ebenen der genetischen Verwandtschaft umgehen kann. Als Anwendung planen wir, die neue Toolbox zu nutzen, um die genetische Architektur der Heterosis in einem Weizen- und einem Mais-Datensatz zu analysieren und zu vergleichen, die jeweils mehr als 4.000 Hybriden enthalten, deren Elternlinien mittels WGS genotypisiert wurden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Jochen Reif