Identification and analysis of genetic loci that cause heterosis in crop plants  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
105170
Type K
Principal investigator Kaló, Péter
Title in Hungarian Heterózishatást eredményező genetikai lókuszok azonosítása és vizsgálata növényekben
Title in English Identification and analysis of genetic loci that cause heterosis in crop plants
Keywords in Hungarian heterózis. lucerna, paradicsom, borsó, biodiverzitás, új generációs szekvenálás
Keywords in English heterosis, alfalfa, tomato, pea, biodiversity, next generation sequencing, doubled haploid
Discipline
Plant biotechnology (Council of Complex Environmental Sciences)60 %
Plant gene bank basic research (Council of Complex Environmental Sciences)25 %
Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences)15 %
Ortelius classification: Plant genetics
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre)
Participants Gombár, Anikó
Holly, László
Kováts, Gyöngyi
Marincs, Ferenc
Mitykó, Judit
Sipos, Tamás
Starting date 2013-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 38.930
FTE (full time equivalent) 8.47
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A növénynemesítés egyik legfontosabb célja minél nagyobb hozamú fajták előállítása. A heterózis hatást, amikor a szülői vonalak keresztezéséből kapott hibridek termőképessége felülmúlja a szülői vonalakét, hosszú ideje alkalmazzák a növénynemesítésben, azonban ennek molekuláris hátteréről kevés információval rendelkezünk. Pályázatunk célja a heterózis kialakulásáért felelős genetikai lókuszok azonosítása és vizsgálata kétféle megközelítéssel. (i) A legelterjedtebb elképzelés szerint a heterózis több gén kölcsönhatásán alapszik, azonban egy a közelmúltban történt felfedezés azt jelezte, hogy paradicsomban egyetlen gén is képes heterózis hatást eredményezni. Azok a paradicsom egyedek, melyek heterozigóta formában hordozták a virágzás folyamatának elindítását szabályozó FST gént, akár 60%-kal nagyobb terméshozamot produkáltak. Jelen tervezett kutatás célja az, hogy a paradicsom és a borsó SFT génjében olyan természetes variációkat keressünk egy fajtagyűjtemény tételei között, amelyek heterózis hatást eredményeznek a terméshozamban, ha heterozigóta formában vannak jelen. Egy ilyen mezőgazdasági szempontból is nagy fontosságú gén genetikai diverzitásáról kapott információkat felhasználva bizonyos vonalakat tenyésztési programokba lehetne bevonni magas terméshozamú növényfajták előállításához. (ii) A lucerna egy idegenbeporzó növény, amelyben a heterozigóta állapot fenntartása fontos az élet- és termőképesség szempontjából. Pályázatunk másik célja a lucerna zöldtömeg egyes komponenseinek tulajdonságát meghatározó lókuszok térképhelyzetének meghatározása, és ezek kapcsolatának vizsgálata a genom azon szakaszaival, amelyekben heterozigótaság fontos az életképesség szempontjából.

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 heterózis genetikai alapjairól még mindig kevés információval rendelkezünk. A legelfogadottabb vélemények szerint a heterózis kialakulása több gén együttműködésének az eredménye. Egy közelmúltbeli eredmény szerint azonban a paradicsom egyetlen egy génjének (SFT) heterozigóta állapota a terméshozam jelentős növekedését eredményezi. A tervezett kutatási projektben két alapvető kérdésre keresünk választ. (i) léteznek-e természetes allélikus variációi az SFT génnek, és ha igen, milyen hatásuk van ezeknek a variációknak a kódolt fehérjére, illetve eredményezhetnek-e heterózist. Az SFT gén természetes allélikus variációinak meglétét a gén négy exonjának szekvenálásával kívánjuk megállapítani, a tápiószelei Növényi Diverzitás Központban őrzött, 2000 tétel közül meghatározott szempontok alapján kiválasztott 300 paradicsomfajtában. Ehhez kapcsolódóan kíváncsiak vagyunk, hogy az SFT gén megfelelőjének heterozigóta állapota más növényben is terméshozam növekedést okoz-e. Ennek megválaszolására borsó génbanki tételeket vizsgálunk természetes allélikus variációk azonosítására, melyekből az ígéretesnek tűnő mintákat heterozigóta állapotba hozva tervezzük a heterózis vizsgálatát. (ii) Másik kérdésünk, hogy az olyan mennyiségi tulajdonságok, mint a zöld tömeg és a perzisztencia hogyan kapcsolódik a heterózishoz diploid lucernában. Ennek vizsgálatára meghatározzuk a mennyiségi tulajdonságok egyes komponenseit befolyásoló genetikai lókuszok helyzetét, és vizsgáljuk, hogy ezek térképhelyzete mennyiben esik egybe a lucerna azon genomi szakaszaival, amelyek főként heterozigóta állapotban vannak egy szegregáló populáció egyedeiben.

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!

A heterózis nagyon fontos a mezőgazdaságban, mivel jobb tulajdonságokat, pl. megnövekedett terménymennyiséget eredményez gazdaságilag fontos növényfajokban. Ezért a heterózis genetikai hátterének tanulmányozása és megismerése nagyban hozzájárulhat a jelenség hatékonyabb kiaknázásához. A heterózis genetikai alapjairól még mindig kevés információval rendelkezünk, azonban egy közelmúltbeli felfedezés - miszerint a virágzásban szerepet játszó SFT gén mutáns alléljének heterozigóta állapota jelentős termésmennyiség növekedést okoz paradicsomban – közelebb vihet minket a heterózis megértéséhez. A mutagenezissel előállított növényekben azonban nagyszámú, random és nem specifikus mutációkat is keletkeznek a genomban, és ezek a mutációk a későbbi nemesítés során nem kívánt fenotipusok megjelenéséhez vezethetnek, melyek kiküszöbölése hosszas nemesítési munkát követel meg. A javasolt kutatásban az SFT gén természetes allélikus variációinak azonosítását célozzuk meg a tápiószelei Növényi Diverzitás Központban található nagyszámú paradicsomfajtákban, aminek segítségével az SFT génben mutáns, de kevés hátrányos háttér mutációt tartalmazó fajtákat tervezünk azonosítani, amelyek közvetlenül használhatók lennének magas terméshozamú hibridek előállításához, mindenféle mutagenezis és genetikai módosítás nélkül. Annak igazolása pedig, hogy az SFT gén heterozigóta állapota más növényekben is képes heterózis hatást kifejteni, lehetővé tenné a termésmennyiség növelésének viszonylag egyszerű módját. Ez a kutatás a növényi genetikai diverzitás fontosságát is demonstrálná és rávilágítana a génbanki gyűjtemények felhasználási potenciáljára egy modern, fenntartható mezőgazdaság számára. A paradicsomtermés heterózis egyik genetikai meghatározó elemének felismerése ellenére még kevés információval rendelkezünk a termények mennyiségi tulajdonságai, mint pl. a zöldtömeg, és a heterózis kapcsolatának hátteréről. A lucerna zöldtömegét meghatározó genetikai lókuszok és a heterozigóta állapot közti összefüggés feltárása elősegítheti a molekuláris markerekkel történő szelekció alkalmazását jobb termőképességű lucernafajták hatékonyabb kiválogatásában és hosszú távon hozzá segíthet a többgénes mennyiségi tulajdonságok heterózisának feltárásához.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A növénynemesítés egyik legfontosabb célja minél nagyobb hozamú fajták előállítása, aminek egyik gyakran alkalmazott módja a heterózis hatás kiaknázása. A heterózis hatást, amikor az utódok termőképessége felülmúlja a szülői vonalakét, hosszú ideje alkalmazzák a növénynemesítésben, azonban ennek molekuláris hátteréről kevés információval rendelkezünk. Kutatási javaslatunk két fontos tulajdonság, a termésmennyiség és a zöld tömeg, és a heterózis kapcsolatát tervezi vizsgálni. Egyrészt a tápiószelei növényi génbankban található paradicsomfajták genetikai változatosságát kívánjuk feltérképezni egy olyan gén esetében, amely megfelelő kombinációban kb. másfélszeres terméshozam növekedést eredményez. Célunk a gén természetes variációinak feltérképezése, amelynek alapján a megfelelő allélvariációkat hordozó fajták nemesítési programokba vonhatók be nagy hozamú változatok létrehozása céljából. A gén természetes változatait borsófajtákban is tervezzük vizsgálni annak igazolására, hogy más fajokban is megvalósítható a gén megfelelő kombinációjával a terméshozam növelése. Másik célunk az egyik fontos takarmánynövényünk, a lucerna terméshozamát, pontosabban zöldtömegét meghatározó tulajdonságok genetikai térképezése és azoknak a heterózis hatással való kapcsolatának vizsgálata. Azoknak a régióknak az azonosítása, melyek heterozigóta állapotban a zöldtömeg növekedését okozzák lucernában, fontos szerepük lehet a kedvező tulajdonságot hordozó lucerna egyedek azonosításában és a nemesítési programok előremozdításában.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Increasing of yield is the top priority for plant breeders. Heterosis, which refers to the phenomenon when progeny display greater vigor and performance compared to their parents, has been exploited by plant breeders for a long time without understanding its genetic basis. The aim of the proposed project is to identify and analyze genetic loci that produce heterosis in crop plants using two distinct strategies. (i) Although it is believed that heterosis is based on interaction of multiple genes, a recent discovery in tomato indicated that a single gene can cause heterosis. It was demonstrated that tomato lines carrying heterozygosity for the flowering hormone SFT gene produced up to 60% more fruits. One of the goals of this proposal is searching for natural allelic variations of the SFT gene in tomato and pea, which might result in yield heterosis in heterozygous form. To survey the genetic diversity, we plan to sequence SFT genes from tomato and pea varieties selected from germplasm collection. Using the obtained information about the genetic diversity of such an agronomically important gene, we would be able to introduce certain lines into breeding programs to develop high fruit yield crop varieties. (ii) Alfalfa is an allogamous species, in which heterozygosity increases the vigor and performance. Partially homozygous or doubled haploid lines of diploid alfalfa will be used to generate hybrids with better performance. In order to analyze the correlation between loci associated with quantitative traits of yield and genome regions in which heterozygous genotypes dominate, we plan to identify loci for hybrid vigor and yield in diploid alfalfa with genetic mapping.

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.

According to the widely accepted view, heterosis is based on interaction of multiple genes. A recent discovery in tomato indicated that heterozygosity of a single gene can result in increase of yield. The proposal targets two main area of heterosis research. (i) The heterozygosity of the loss of function mutant allele of SFT gene, originated from a mutagenized population, resulted in yield heterosis in hybrid tomato plants. Our questions in the proposed research project are whether there are any naturally occurring allelic variants of the SFT gene, and, if yes, how these variations might affect the encoded protein. To identify such natural allelic variants of the SFT gene, we wish to sequence the coding regions of SFT in 300 tomato varieties held at the Research Center for Agrobiodiversity, Tápiószele, Hungary. Another question of the proposal is whether the heterzygosity of SFT orthologous genes in other crop plants increase yields similarly as in tomato. To answer this question we plan to screen the pea germplasm collection to identify natural variants of pea plants. Pea entries carrying mutant alleles of the SFT ortholog in heterozygous form will be scored for heterosis. (ii) The traits of green mass and persistence are controlled by multiple loci in plants. The other main question of this proposal whether the correspondence between the hybrid vigor of diploid alfalfa and certain genomic regions can be validated. In order to sustain this hypothesis, the correlation of loci associated with the components of quantitative trait of yield and the genomic regions which exist mainly in heterozygous form in diploid alfalfa will be analyzed.

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.

Heterosis is very important in agriculture because it results in better performance of agronomically important species. Therefore, studying the genetic basis of heterosis is a prerequisite for full exploitation its benefits. The genetic determinants of enhanced crop production have been remained in obscurity until a recent discovery that heterozigosity of certain mutations in the SFT gene can cause increased fruit yield in tomato. However, obtaining such specific mutants by mutagenesis has some drawbacks: inbreeding, phenotyping and evaluation of thousands of plants for generations are necessary. Furthermore, large number of random, non specific other mutations can exist in the progenies of the mutagenized plants which may cause the appearance of unwanted phenotypes in successive breeding. In our proposed research we aim to discover natural allelic variations by sequencing the coding sequence of the tomato SFT gene in large number of varieties among germplasm entries. The increased yield generated by mutations of a single gene raises the question whether this approach can be used in other crops to produce better performance. Therefore the analysis of varieties of pea for the SFT ortolog which can provoke yield heterosis in pea has a great importance. The approach in this proposal is a direct way to search for specific gene variations. With the combination of molecular and botanical resources, identification of tomato and pea varieties that could be used directly to breed high yield tomato hybrids would be feasible, without any mutagenesis or genetic modification. This research would also demonstrate the importance of plant genetic diversity and the potential of germplasm collections for a modern, sustainable agriculture would be also explored. Despite the breakthrough discovery of heterosis for fruit yield in tomato, the genetic components of heterosis for green mass has been remained to be discovered. The identification of correlation between genomic locations of components associated with green mass and heterozygosity in alfalfa will allow us to use genetic markers to select alfalfa lines with requested genotypes for breeding purposes more efficiently and will significantly contribute to alfalfa improvement.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Increasing of yield is the top priority for plant breeders. Heterosis, which refers to the phenomenon when progeny display greater vigor and performance compared to their parents, has been exploited by plant breeders for a long time without understanding its genetic basis. The aim of the proposed project is analyze the correspondence between two important traits, fruit yield and yield of green mass and heterosis. On the one hand, we plan to screen the genetic diversity of tomato plants available at a Hungarian germplasm collection (Tápiószele) to identify natural varieties of a gene which in heterozygous configuration results in significant increase of fruit yield. The identification of plants carrying the desired allelic variation will enable researchers to use these varieties in breeding programs aiming the development of natural tomato breeds with increased fruit yield. In order to prove that the heterozygous condition of this gene can increase yield in other crop plants we also plan to screen the natural diversity of pea in the germplasm collection. Alfalfa is an important forage crop because of its high nutritional quality. The yield of alfalfa is determined by several traits, such as green weight, stem/leaf ratio and height. The other main objective of the proposal is to determine the genomic regions which control these traits in alfalfa. We plan to analyze the relation of genomic segments associated with the components of yield with those ones in which heterozygous configuration dominates. The identified relationships will allow the selection of appropriate alfalfa plants with favorable traits and promote the breeding program of alfalfa.





 

Final report

 
Results in Hungarian
The aim of our project was to identify and analyze genetic loci that produce heterosis in crop plants using two distinct strategies. (i) The natural variation of the SP3D gene that results in fruit-yield heterosis in tomato being heterozygous for induced loss-of-function mutations was investigated. The SP3D amplicon of 262 tomato seed bank accessions was deep sequenced and twenty-two novel SNPs in total were identified. Neither novel exonic mutations in the 262 accessions of this study nor possible loss-of-function mutations amongst the known exonic variants were identified in the SP3D gene indicating that no such spontaneous mutations occur in cultivated tomato contrary to missense variations in the coding region of SP3D found in wild tomato. (ii) In order to analyze the correlation between the heterozygous chromosomal region and the position of the QTLs associated with the variance of yield traits of diploid alfalfa. Following several problems to generate appropriate plant material, the genetic maps of three mapping populations derived from different parental lines were constructed and the chromosomal regions with excess heterozygous genotypes were determined. Unfortunately, the genetic analysis to determine the QTLs of the measured traits failed. The reason of the unsuccessful genetic mapping could be the insufficient number of plants and the single season data we used for the analysis. We plan to generate more reliable data in the future to get our results published.
Results in English
A project célja a heterózis hatást eredményező genetikai lókuszok vizsgálata két eltérő megközelítéssel. (i) Egyrészt az SP3D változatainak vizsgálatát végeztük el 262 génbanki paradicsom tételen. Az SP3D gén funckió vesztéses alléljának heterozigóta konfiguráció esetén heterózishatást eredményez a paradicsom termésmennyiségében. A szekvencia vizsgálatokat követően összesen 22 új pontmutációt azonosítottunk, azonban ezek egyike sem eredményezett funkcióvesztéses SP3D allélt. Eredményeink azt mutatják, hogy a termesztett paradicsom változatokban valószínűleg nem fordul elő spontán mutáció eredményeként a funkcióvesztéses SP3D allélt, miközben vad paradicsom változatok esetében több ilyet is azonosítottak. (ii) Projektünk másik célja a heterozigóa allél eloszlást előnyben részesítő kromoszóma szakaszok és a diploid lucerna zöld tömeg hozamát meghatározó genetikai lókuszok közötti összefüggés feltárása volt. A megfelelő növényi anyag előállításánál több nehézséggel is szembe kerültünk, de végül sikerült három szegregáló populációt létrehoznunk különböző szülői vonalak keresztezésével. Meghatároztuk azokat a kromoszóma szakaszokat, melyek a heterozigóta genotípusok irányába torzult szegregációt mutatnak. Sajnos a vizsgált mennyiségi tulajdonságokat befolyásoló lókuszok kromoszómahelyzetének meghatározása nem volt sikeres, aminek okát egyrészt a vizsgált tulajdonságokra vizsgált nem elegendően nagyszámú egyed hiányával, illetve az adatok egy évből történő mérésével magyarázzuk.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105170
Decision
Yes





 

List of publications

 
Marincs, F, Nagy, T, Miró, K, Kollár, Zs, Barta, e, Kaló, P: Large-scale amplicon sequencing of the SP3D gene responsible for fruit-yield heterosis in tomato, Plant Gene 9:45-49, 2017
Endre Barta, Zsófia Bánfalvi, Zoltán Havelda, László Hiripi, Zsigmond Jeney, János Kiss, Balázs Kolics, Ferenc Marincs, Dániel Silhavy, Viktor Stéger, Éva Várallyay: Agricultural genomics: an overview of the Next Generation Sequencing projects at the NARIC-Agricultural Biotechnology Institute in Gödöllő., Hungarian Agricultural Research 25:10-21, 2016
Marincs Ferenc, Nagy Tibor, Miró Krisztina, Kollár Zsuzsanna Barta Endre, Kaló Péter: Large-scale amplicon sequencing of the SP3D gene responsible for fruit-yield heterosis in tomato, PLANT GENE 9: pp. 45-49., 2017





 

Events of the project

 
2016-01-06 14:17:05
Résztvevők változása
2014-02-08 22:18:38
Résztvevők változása
2014-01-02 14:46:06
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ).




Back »