HUN-REN ATK Mezőgazdasági Intézet (HUN-REN Agrártudományi Kutatóközpont)
résztvevők
Balla Krisztina Bányai Judit Karsai Ildikó Kiss Tibor Lenykó-Thegze Andrea Megyeri Mária Puskás Katalin Rakszegi Marianna Vida Gyula
projekt kezdete
2018-10-01
projekt vége
2023-09-30
aktuális összeg (MFt)
39.818
FTE (kutatóév egyenérték)
8.96
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A jelen kutatás fő célkitűzése hogy részletesen elemezze az 1950-es években begyűjtött és Tápiószelei Génbankban megőrzött Kárpát-medencei tájfajtákban rejlő genetikai sokféleséget, lehetővé téve ezzel agronómiailag kedvező gének új alléljainak beazonosítását és új nemesítő programokba való bevonását. 200 tájfajta és 70 modern búzafajta fenotípusos és genotípusos elemzését kívánjuk elvégezni, amelynek során az ökológiai adaptációképességet, a biotikus- és az abiotikus stresszrezisztenciát és a minőségi paramétereket vizsgáljuk. A genotipizálást 20K Illumina SNP genotipizálási rendszerrel tervezzük kivitelezni, amely 17.500 gén-alapú SNP markert használ és maximális információt szolgáltat rendkívül alacsony költséggel. A fenotipizálást szabadföldi és ellenőrzött környezeti körülmények között is végrehajtjuk, amelynek során felmérjük a fenológiai, morfológiai és terméshozamhoz kötött tulajdonságokat, biotikus stressztűrőképességet: levélrozsda, lisztharmat, és fuzárium rezisztenciát, hő és szárazságtűrést és a fizikai, összetételbeli és sütőipari minőséget mind a tájfajtákban mind a modern búzfajtákban. A filogenikai vizsgálatokon túl teljes genom asszociációs vizsgálatot végzünk az SNP markerek és a fenotipus adat mátrixok között hogy új kedvező allélokat azonosíthassunk a tájfajtákban, amelyek jobb stressz-ellenállóságot és minőséget biztosítanak és így alkalmasak a termésnövelésre és minőség javítására. Elkészítjük a Kárpát-medencei tájfajták teljes genom és fenom katalógusát és elérhetővé tesszük nyilvános internetcímen. Ezt követően pre-breeding programot indítunk, amelyben a keresztezéseket marker alapú szelekció mellett végezzük el.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A pályázati téma fő hipotézise az, hogy a régi Kárpát-medencei tájfajtákban nagy mennyiségben maradtak fenn olyan tulajdonságok, amelyek napjainkban is hasznosak lehetnek agronómiailag, különösen az abiotikus stressz tolerancia és a szemtermés minőségi paraméterei vonatkozásában; a tájfajták egy nagymértékű, eddig még nem jellemzett és kihasználatlan diverzitást képviselnek, amely jelentősen különbözik a ma termesztett búzafajták egyébként is leszűkült genetikai bázisától. Ennek megfelelően a régi tájfajtákban és a modern búzafajtákban párhuzamosan kivitelezett részletes fenotípusos és genotípusos elemzésekkel a következő szempontokat vizsgáljuk meg: - A tájfajták között fennálló diverzitás szintjeinek megállapítása a modern búzafajtákhoz viszonyítva - A Kárpát-medence különböző tájegységeiről az 1950-es években begyűjtött tájfajták genetikai rokonsági viszonyainak megállapítása. - Az abiotikus és biotikus stressz tolerancia paramétereiben, a szemtermés minőségi paramétereiben, valamint a terméskomponensekben megnyilvánuló variancia típusának és mértékének elemzése a modern búzafajtákkal összevetve. - A hasznos tulajdonságok genetikai meghatározásában szerepet játszó tényezők elemzése a teljes genomra kiterjedő asszociációs elemzések segítségével, amely kiindulópontja a hasznos gének, gén allélok azonosításának. - A régi tájfajtákban kimutatott hasznos gének, gén allélok gyakorlati felhasználásnak megkezdése a búzanemesítésben, a visszakeresztezés módszerét ötvözve a markeren alapuló szelekció technikájával.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Bár az értékes genetikai variabilitás rendelkezésre áll a régi tájfajtákban, csak kevés átfogó kutatás készült a tájfajták vizsgálatáról és csak egy részét használták ki a bennük rejlő genetikai potenciálnak világszerte. Ez különösen igaz a régi Magyar tájfajta gyűjteményre, ami a Tápiószelei Génbankban fennmaradt, de mostanáig nem volt részletesen feltárva. A jelen pályázat keretében szeretnénk elvégezni a részletes genotipizálást és fenotípus vizsgálatokat az 1950 és 1960 között begyűjtött 200 tájfajtán és 70 modern búzafajtán. A tervezett genotipizáláshoz és fenotipizáláshoz, valamint a statisztikai értékelésekhez a legmodernebb eljárásokat fogjuk alkalmazni. Az így kapott eredmények átfogó képet fognak adni a tájfajták filogenetikai viszonyairól, genetikai és fenotípusos változékonyságukról, valamint az agronómiailag fontos tulajdonságok genetikai hátteréről, amik nagyon fontos információk az alapkutatás számára. Ugyanakkor az összeállítani kívánt gén és fenotípus gyűjteménye a Kárpát-medencei tájfajtáknak segíteni fog, hogy a régen már a kiváló minőségükről elismert Magyar tájfajták újra a figyelem középpontjába kerüljenek a jobb adaptációs képességük miatt. A tervezett kutatás Magyarországon egyedülálló és Európában is az elsők között van, mert a tájfajtákban rejlő genetikai diverzitás ilyen nagyszabású hasznosítására még nem került sor.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A 20. század első felében a magyar búzák speciális minősége széles körben ismert tény volt. Az egyes tájkörzetekben termesztett magyar tájfajták, amelyek jobbára a spontán szelekciónak köszönhetően jól alkalmazkodtak a helyi sajátosságokhoz, kiváló szárazság és hőstressz tűréssel rendelkeztek. Az 1950-es években a még fennmaradt búza tájfajtákat begyűjtötték a Kárpát-medence több részéről és azóta a Tápiószelei Génbankban tartják fenn ezt a gyűjteményt, amely a mai magyar búzanemesítés és termesztés egyik fontos öröksége. Ezt a gyűjteményt azonban még nem jellemezték részletesen és így a bennük rejlő lehetőségek sem kerültek kiaknázásra. Manapság a változó klimatikus viszonyok, valamint a nagy termésátlagok elérésére folytatott nemesítés következtében lecsökkent genetikai változékonyság hatására a búzatermesztésnek komoly kihívásokkal kell szembesülnie. Ezzel a kutatási programmal fő célunk a régi magyar tájfajta gyűjteményben rejlő genetikai diverzitás feltárása, az információk nyilvánosságra hozatala adatbázis formájában. Az egyedi tájfajták genetikai hátterét összevetjük a szántóföldi teljesítményével annak érdekében, hogy új genetikai tényezőket azonosíthassunk, amelyekkel javítani lehet a mai búzafajták minőségét és stressztűrő képességét. Bevezetjük a magyar nemesítési programba a legmodernebb DNS Chip alapú genotipizálási módszert, amely lehetővé teszi a mért tulajdonságok és a mögötte meghúzódó genetikai tényezők közti közvetlen kapcsolat feltárását. Eredményeinkre alapozva előnemesítési programot indítunk, hogy hagyományos keresztezéssel sikeresen bevezethessük a tájfajtákban azonosított kedvező tulajdonságokat a mai búzanemesítésbe.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The major aim of the present study is to characterise in details the different level of diversities present in the old Central European landraces collected during the 1950-ies and conserved in the Genebank of Tápiószele in order to identify favourable alleles of agronomically important traits and to introduce them into wheat breeding. Genotypic and phenotypic characterizations will be carried out on 200 landraces and 70 modern wheat cultivars targeting ecological adaptation, biotic and abiotic stress tolerance and end-use quality. The genotyping will be based on the high throughput 20K Illumina SNP array which uses 17.500 gene-based, SNP markers providing a maximum of information accompanied by very low analysis costs. The phenotyping will be carried out in field, and under controlled environmental conditions, evaluating the phenology, morphology, yield related traits, biotic stress tolerance to leaf rust, powdery mildew and Fusarium head blight, abiotic stress tolerance to heat and drought and the physical, compositional and the bread-making properties of the landraces and modern wheat cultivars. In addition to the phylogenic studies, genome-wide association studies will be carried out between the SNPs and the phenotypic data matrices in order to identify favourable, new alleles of stress tolerance and quality in the old Hungarian landraces useful for improving the yield stability and end-use quality. The complete gene and phenome catalogue of the old Hungarian wheat landraces will be set up and made part of the public domain. Pre-breeding activities will be initiated through backcrossing and marker assisted selections.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The hypothesis of the research is that in the old Central European wheat landraces a vast source of agronomically useful traits are still conserved especially in the fields of abiotic stress tolerance and end-use quality; a diversity differing enormously from the modern wheat cultivars with narrowed genetic bases, which have not been characterized and catalogued yet. The major aims of the detailed genotypic and phenotypic characterizations carried out in parallel in the old Central European wheat landrace collection and in a set of Hungarian modern wheat cultivars are the following: - To characterize the levels of diversity still present within old Central European landraces and to compare them with the modern wheat cultivars. - To establish the phylogenetic structure of the old Central European landraces collected from the various geographic part of Carpathian Basin during the period of 1950-1960. - To evaluate the type and the extent of the variations in the different traits of abiotic, biotic stress tolerance, end-use quality and yield components in comparison with the modern wheat cultivars - To identify the genetic components behind the agronomically useful traits via genome-wide association analyses and to start locating the candidate genes/gene alleles behind the significant associations - To initiate the exploitation of the useful traits into the modern breeding using backcross schemes and marker assisted selections
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Although the value of genetic variations from old wheat landraces has been clearly demonstrated, little attention has been payed to their systematic analyses and data collection and only a fraction of their full potentials has been exploited in breeding programs worldwide. This is especially true of the old Central European wheat landrace collection, which has been maintained in the GeneBank of Tápiószele, but up till now has not been systematically characterized yet. The present work will provide detailed genotyping and phenotyping data on the complete old Central European landrace collection from the era of 1950 – 1960 encompassing 200 landrace populations in parallel to 70 modern wheat cultivars. The intended genotypic, phenotypic characterizations and statistical analyses are all based on the most up to date methodologies and technologies resulting in thorough, deep and comprehensive information on phylogeny, genetic and phenotypic diversity and the genetic components of the agronomically important traits, which are of great importance in the basic research. In addition, the gene and phenome catalogue of the old Hungarian landraces arising from this research is the tribute to and acknowledgement of our legacy of the old Hungarian wheats known for their special quality worldwide and can lead to rediscovering their genetic resources for breeding new Hungarian wheat cultivars with better adaptation abilities to the changing environments. The planned research within this project proposal together with the thorough and up to date methodology is unique in Hungary and is also among the first in Europe in the field of systematically exploiting the diversities in cereal landraces.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. In the first half of the 20th century Hungarian wheats were known worldwide for their special quality parameters. The wheat landraces spontaneously selected and bred locally throughout the country were especially tolerant to abiotic stresses, such as heat and drought. These landraces were also the basis in starting the Hungarian wheat breeding activities at that time. A larger set of the old Central European landraces were collected during 1950-60 and conserved in the GeneBank collection of Tápiószele representing the important legacy of Hungarian wheat breeding and production, but neither their detailed characterisations nor their exploitation in modern wheat breeding have been carried out yet. Today wheat production is facing such challenges as climate change and the decreased genetic diversity of cultivated wheat imposed by the continuous selection for high yielding ability, cannot surmount such difficulties. With this research our major aims are to investigate the genetic diversity hidden in the Hungarian wheat landrace collection and to record it in the form of a database. We aim to correlate the genetic background of every individual landrace to its actual performance and to identify new components to improve wheat quality and stress tolerance. We will introduce to the Hungarian breeding programs the most up to date, high throughput DNA Chip genome analysis method to make direct comparison between the genetic backgrounds of the individual landrace cultivars. Pre-breeding program will be initiated and the best performing landraces will be used to introduce the favourable characteristics to modern wheat cultivars by traditional crossing.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A mai búzatermesztés olyan kihívásokkal néz szembe, mint a klímaváltozás és a genetikai sokféleség csökkenése, ami a magas termésátlagokra koncentráló nemesítési programok következménye. A napjainkban kifejlesztett SNP chip-ek és bioinformatikai módszerek alkalmazása lehetőséget adtak a genetikai diverzitás és a legfontosabb fenotípusos tulajdonságok genetikai alapjainak vizsgálatára is.
A kutatási program célja az volt, hogy elemzze a Közép-európai búza tájfajta gyűjtemény fenotípusos és genotípusos sokféleségét, valamint populáció szerkezetét, hogy olyan új előnyös allélokat találjon amik a stressztűréshez és minőségi paraméterekhez kapcsolhatóak. A teljes tájfajta gyűjtemény 200 tájfajtát és 70 modern búzafajtát ölelt fel és a gyűjtemény genotipizálását egy nagy lefedettségű 20K SNP chip-el végeztük el. Megvizsgáltuk a populáció szerkezetét, a genetikai változékonyság földrajzi eloszlását és a polimorf markerek kromoszómákon belüli eloszlását is. Teljes genomra kiterjedő asszociációs vizsgálatokat (GWAS) végeztünk, az SNP markerek és a mezőgazdaságilag fontos tulajdonságok között. Az azonosított SNP markerek használhatóak lesznek a marker alapú szelekció során (MAS) az új nemesítési programokban. Ezek az SNP markerek új lehetőségeket kínálnak a nemesítési folyamat felgyorsítására, mert lehetővé teszik sok vonal korai marker alapú szelekcióját és ezáltal hatékonyabb nemesítési programok tervezését.
kutatási eredmények (angolul)
Today wheat production is facing such challenges as climate change and the decreased genetic diversity of cultivated wheat imposed by the continuous selection for high yielding ability. The use of recently developed SNP chips and cluster identification algorithms provided an opportunity to conduct diversity studies and investigate the genetic basis of trait variation in wheat.
The goal of this proposal was to analyze the phenotypic and genotypic diversity of the Central European wheat landrace collection and its population structure to pinpoint favorable new alleles related to stress tolerance and quality, which could then be introduced into modern breeding programs. Genotyping was conducted on the entire landrace collection, encompassing 200 landraces in parallel with 70 modern wheat cultivars, using a high-density 20K SNP genotyping array. We examined the population structure, geographic distribution of genetic variability, and the chromosomal distribution of polymorphic markers. Genome-Wide Association Studies (GWAS) were carried out, focusing on associations between SNPs and agriculturally important traits. The markers identified in this project can be applied in modern marker-assisted selection (MAS) programs. These SNP markers open up new possibilities for accelerating the breeding process. This approach allows for the early elimination of many lines after MAS, making it feasible to develop more efficient breeding programs.
András Cseh, Krisztina Balla, Tibor Kiss, Marianna Mayer, Zita Berki, Ádám Horváth, Péter Poczai, Ildikó Karsai: SNP Genotyping and Agro-Morphological Characterization of a Central-European Wheat Landrace Collection and Modern Wheat Cultivars, In: International Plant & Animal Genome XXVII, (2019) PE0966, 2019
Andras Cseh, Tibor Kiss, Krisztina Balla, Zita Berki, Ádám Horváth, Péter Poczai, Ildikó Karsai: Exploiting the legacy of Central European wheat landraces for improving the ecological adaptation ability of wheat, In: MonoGram, (2019) P25, 2019
Cseh, András ; Gell, Gyöngyvér ; Christakis, George Florides ; Rakszegi, Marianna ; Birinyi, Zsófia ; Nagy-Réder, Dalma ; Békés, Ferenc ; Karsai, Ildikó: A Kárpát-medencei búza tájfajták és modern fajták tartalékfehérje szintű diverzitásának összehasonlítása, XXIX. Növénynemesítési Tudományos Napok : Összefoglaló kötet Martonvásár, Magyarország : MTA Agrártudományi Kutatóközpont (2023) 158 p. pp. 74-74. , 1 p., 2023
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Molekuláris Nemesítési Osztály (Agrártudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Intézet (Agrártudományi Kutatóközpont).
