Germany
April 16, 2025
> The phased pan-genome of tetraploid European potato (Nature)
Researchers from the Ludwig Maximilian University of Munich and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research have reconstructed the genomes of ten historic potato cultivars and show that they already cover 85 percent of the total variability of modern European potatoes.
Potatoes are a staple food for over 1.3 billion people. But despite their importance for global food security, breeding successes have been modest. Some of the most popular potato cultivars were bred many decades ago. The reason for this limited success is the complex genome of the potato: there are four copies of the genome in each cell instead of just two. This challenges traditional hybridization-based breeding. A team led by Professor Korbinian Schneeberger, head of the Genome Plasticity and Computational Genetics research group at Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research, has now made an important breakthrough. As the researchers report in the renowned journal Nature, they were able to reconstruct the genome of ten historic potato cultivars. They then used this knowledge to develop a method that would make it much easier and faster to reconstruct further potato genomes.
In collaboration with researchers from Wageningen University, the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), and the Xi’an Jiaotong University in China, the team selected historical varieties, some of which were already cultivated in the 18th century. “Since these potatoes come from a time when European breeding programs were beginning, we wanted to figure out how much diversity exists in these potatoes in order to understand the genetic potential of our potatoes,” says Schneeberger. The answer was: not very much. The genetic pool of the potato is extremely limited. The ten potato varieties covered around 85 percent of the genetic variability of all modern European potatoes.
Bottleneck effects after introduction from South America
The researchers attribute their findings to bottleneck effects. Potatoes were imported from South America from the 16th century onward. The number of different individuals was low and most were unable to cope with the European conditions. This reduced gene pool was then further reduced by diseases. The most famous example is the potato late blight outbreak of the 1840s, which caused harvests to collapse and led to catastrophic famines, most notably in Ireland but also in the rest of Europe.
At the same time, the study revealed – to the surprise of the researchers – that the differences between individual chromosome copies can be huge. “Because the gene pool is so limited, there aren't many different chromosomes, but when the chromosomes do differ, they diverge to an extent never before observed in domesticated plants,” explains Schneeberger. “The differences are about twenty times greater than in humans.” These differences presumably arose before the arrival of the potato in Europe. The indigenous peoples of South America started to domesticate potatoes about 10,000 years ago, and the differences are likely the result of crossing between wild species.
Finally, the researchers developed a novel approach that can be used to analyze the genomes of the around 2,000 potatoes registered with the European Union. Instead of laboriously generating the data needed to reconstruct a genome, easily generated data are compared with the currently known genomes to determine which of the known chromosomes are present in a cultivar. The researchers showed that their approach works with the Russet Burbank cultivar, which has existed since 1908 and is still the standard variety for French fries to day. “Knowledge of genome sequences forms the basis for many approaches in plant breeding, from traditional breeding to the latest methods of genome engineering,” says Schneeberger. “In future, we won’t have to work without this information anymore.”
Text: LMU
Europäisches Kartoffelgenom entschlüsselt: Kleiner Genpool mit großen Unterschieden
Forschende der LMU und des Max-Planck-Instituts (MPI) für Pflanzenzüchtungsforschung haben die Genome von zehn historischen Kartoffelsorten rekonstruiert und zeigen, dass damit 85 Prozent der Variabilität aller kultivierten Kartoffeln entschlüsselt sind.
Die Kartoffel ist Grundnahrungsmittel für mehr als 1,3 Milliarden Menschen. Aber trotz dieser immensen Bedeutung für die weltweite Ernährungssicherheit sind die Erfolge der Züchtung marginal. Einige der am meisten verwendeten Kartoffeln wurden schon vor vielen Jahren gezüchtet. Der Grund für den ausbleibenden züchterischen Erfolg ist das komplexe Genom der Kartoffel. In jeder Zelle sind vier Genome anstatt nur zwei. Das stellt die traditionelle kreuzungs-basierte Züchtung vor erhebliche Herausforderungen. Einem Team um Professor Korbinian Schneeberger, Leiter der Forschungsgruppe „Genome Plasticity and Computational Genetics“ an der LMU und dem MPI für Pflanzenzüchtungsforschung, ist nun ein wichtiger Fortschritt gelungen: Wie die Forschenden im renommierten Fachmagazin Nature berichten, konnten sie das Genom von zehn historischen Kartoffelsorten rekonstruieren und benutzten dieses Wissen, um weitere Kartoffelgenome bedeutend einfacher und schneller rekonstruieren zu können.
Zusammen mit Forschenden der Universität Wageningen, des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) und der Xi’an Jiaotong Universität in China, die ebenfalls an der Studie beteiligt waren, wählte das Team historische Sorten aus, die unter anderem schon im 18. Jahrhundert angebaut wurden. „Da diese Kartoffeln aus der Zeit stammen, in der die europäischen Züchtungsprogramme begannen, wollten wir verstehen, wieviel Vielfalt in diesen Kartoffeln vorhanden war, um so zu verstehen, wie hoch das genetische Potenzial unserer Kartoffeln ist“, sagt Schneeberger. Die Ergebnisse zeigten: nicht sehr hoch. Der genetische Pool der Kartoffel ist extrem limitiert: Die zehn untersuchten Kartoffeln decken bereits 85 Prozent der genetischen Variabilität aller modernen europäischen Kartoffeln ab.
Flaschenhals-Effekte nach dem Import aus Südamerika
Die Forschenden erklären diesen Befund mit Flaschenhals-Effekten: Von den ohnehin wenigen ab dem 16. Jahrhundert aus Südamerika importierten Kartoffellinien waren die meisten den europäischen Bedingungen nicht gewachsen. Den dadurch reduzierten Genpool machten Krankheiten dann noch kleiner. Das berühmteste Beispiel ist die Knollenfäule, die in den 1840er- Jahren in Irland, aber auch im Rest von Europa zu einem fast kompletten Ernteausfall und katastrophalen Hungersnöten führte.
Gleichzeitig zeigte die Studie zur Überraschung der Forschenden, dass die Unterschiede zwischen einzelnen Chromosomen-Kopien enorm sein können. „Weil der Genpool so limitiert ist, gibt es zwar nicht viele unterschiedliche Chromosomen, aber wenn die Chromosomen unterschiedlich sind, dann in einem Ausmaß, wie wir es bei domestizierten Pflanzen noch nie gesehen haben“, sagt Schneeberger. „Die Unterschiede entsprechen etwa dem Zwanzigfachen dessen, was wir beim Menschen sehen.“ Entstanden sind diese Unterschiede vermutlich schon vor der Ankunft der Kartoffel in Europa durch die Vermischung mit Wildarten in Südamerika durch die indigenen Völker, die schon vor 10.000 Jahren die Kartoffeln domestiziert haben.
Zuletzt entwickelten die Forschenden einen neuartigen Ansatz, mit dem zukünftig die Genome der circa 2.000 bei der Europäischen Union registrierten Kartoffeln analysiert werden können. Statt aufwendig die Daten zu generieren, die man braucht, um ein Genom zu rekonstruieren, werden einfach zu generierende Daten mit den nun bekannten Genomen verglichen, um festzustellen, welche der bekannten Chromosomen in einer Sorte vorhanden sind. Dass das funktioniert, bewiesen die Forschenden beispielhaft an der Kartoffelsorte Russet Burbank, die seit 1908 existiert und bis heute die Standardsorte für die Herstellung von Pommes frites ist. „Das Wissen über Genomsequenzen ist die Grundlage für viele Ansätze in der Züchtung, angefangen in der traditionellen Züchtung bis hin zu den neuen Methoden der Genommodifikation“, sagt Schneeberger. „In Zukunft werden wir nicht mehr ohne diese Information arbeiten müssen.“
Text: LMU
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