Index der Solanum Resistenzgene (SolaRIndex)

Das Projekt zielt auf (1) die Katalogisierung aller Hauptgene für Resistenz (R Gene) im Genpool von Solanum mit Schwerpunkt Kartoffel (S. tuberosum) und ihre engsten verwandten Kulturarten, sowie auf (2) die Entwicklung einer effektiven Methode zur schnellen Entwicklung von molekularen Selektionsmarkern für Resistenz in der Pflanzenzüchtung. Gleichzeitig wird in bisher größtem Umfang Einblick in die Evolution der R Gene und die Diversifikation von Pflanzenresistenz gewonnen. R Gene sind die Schalter für Krankheitsresistenz, sie stellen 1-2% aller Pflanzengene und ihre Diversifizierung widerspiegelt die Dynamik der Koevolution mit den Virulenzen unzähliger spezialisierter Krankheitserreger. Die meisten R Gene, und nur diese, besitzen eine sogenannte nucleotide binding site (Nukleotidbindungsort, NBS) Domäne mit hochkonservierten Sequenz-Motiven. R Gene bewirken Resistenz gegen alle Klassen von Pathogenen, die Spezifität einzelner R Allele, die die selektive Interaktion des R Proteins mit einem bestimmten Stamm eines Erregers garantiert, entsteht durch individuelle Unterschiede im variablen Teil der R Gen-Sequenz in der Umgebung der NBS Domäne. Die hochkonservierte Sequenz von Motiven innerhalb der NBS wird benutzt, um mit wenigen PCR-Primern die Mehrzahl aller R Gene aus einer großen und repräsentativen Gruppe von Sorten der Solanum-Kulturarten zu isolieren. Der kombinierte Einsatz eines NBS-Primers und eines PCR Primers für die Erkennungs-Sequenz eines Restriktionsenzyms garantiert, dass R Gen-Fragmente mit polymorphen und also informativen Teilen aus den nicht konservierten Abschnitten amplifiziert werden. Diese mittels PCR isolierten R Gen-Fragmente werden mit "long-read GS FLX Titanium chemistry" Technologie der Genomsequenzierung (Next generation sequencing) sequenziert. Die solcherart digitalisierten Sequenzen der R Allele (oder R Haplotypen) werden bioinformatisch gruppiert und kategorisiert. R Allele, die selektiv in Sorten mit bestimmtem Resistenz-Phänotyp vorkommen, werden festgestellt. Die tatsächliche Assoziation dieser ausgewählten R Allele mit der spezifischen Resistenz wird anschließend verifiziert in PCR Experimenten mit allelspezifischen Primern an kleinen Kreuzungspopulationen oder Gruppen von Sorten, die für die betreffende Resistenz spalten. Im Ergebnis dieser Forschung wird somit die Voraussetzung geschaffen, dass auch für die tetraploide, heterozygote und gegen Inzucht anfällige Kartoffel ausreichend viele zuverlässige molekulare Marker für die Selektion auf Resistenz in der Züchtung entwickelt werden können.

Erstmals wurde der nahezu volle Bestand der R (Resistenz)-Gene und ihrer allelischen Varianten der Kulturkartoffel als selbstständige Pflanzenart entschlüsselt. Die Kartoffel ist die wichtigste Welt- Nahrungspflanze nach Getreide. Krankheiten verursachen die meisten Kosten in der Produktion der Kartoffel, und natürliche Krankheitsresistenz ist das ökologische Gegenmittel der Wahl. Der genetische Code aller Varianten im R-Genpool wurde aus neunzig repräsentativen, modernen und historischen Sorten mit einem neuen Hochdurchsatz-Verfahren dechiffriert und mit neuesten bioinformatischen Methoden digitalisiert. In der SolariX Datenbank (www.cibiv.at/SolariX/) ist die neue Information öffentlich zugänglich.Der R-Genpool wurde bioinformatisch insgesamt 576 Genorten (Loci) zugewiesen, die 2% aller Loci der Kartoffel repräsentieren. Diese Loci entsprechen den Genen im zurzeit gültigen Standardmodell des Genoms der Kartoffel. Pro Genort und Sorte wurden jedoch überraschend bis zu 12 anstelle der erwarteten maximal 4 Allele zugeordnet. Diese unerwartet hohe Allelanzahl deutet auf das Vorhandensein einer noch größeren Anzahl an Resistenzgenen hin als bisher für die tetraploide Kartoffel angenommen (vier Kopien je Chromosom, anstelle von zwei Kopien beim Mensch und vielen anderen Organismen), welche wegen der Ähnlichkeit ihrer Codes rein bioinformatisch nicht weiter auflösbar sind.Die Daten aus SolariX ermöglichen eine noch nie dagewesene Effizienz bei der Identifizierung spezieller Allele, welche der Pflanze Resistenz gegen bestimmte Krankheiten geben. Somit wird die Entwicklung von molekularen Selektionsmarkern für diese Allele stark vereinfacht, wie an einem Beispiel vorgeführt wurde. Selektionsmarker werden in der züchterischen Praxis dringend benötigt. Auch die Pflanzenforschung profitiert von SolariX. Die Datenbank macht das Studium auf molekularem Niveau von Verwandtschaftsverhältnissen zwischen einzelnen Sorten und ganzen Zuchtprogrammen der Kartoffel möglich und sie hilft bei der Klärung von Fragen der Genealogie und Evolution der Krankheitsresistenz.