Fra laboratorium til feltforsøk: Anvendelse av gen-markører for mer effektiv fremstilling av overvintringssterke jordbærsorter.

Dette prosjektet er et samarbeid mellom Graminor AS, NIBIO, UiO, Høgskolen i Innlandet og det internasjonale Indiana Purdue University i Indianapolis, USA. Overlevelsen av jordbærplanter i områder med lave temperaturer er svært kompleks og påvirkes av flere fysiologiske responser og en rekke biotiske (f.eks. sykdommer) og abiotiske (f.eks. miljø, kulde, tørke) faktorer. På grunn av kompleksiteten som er involvert i oppreguleringen av kuldetoleranse, har lav temperatur stress i jordbær vært et av forskningsfokusene våre siden 2007, i tre brukerdrevne innovasjonsprosjekter. Dette prosjektet tok sikte på å utnytte resultatene fra de foregående prosjektene og videreføre prosessen med å verifisere anvendbarheten av de identifiserte biomarkørene som er koblet til kuldetoleranse i foredlingsmaterialet ved Graminor. Vårt tidligere arbeid har identifisert kandidatmolekyler hvis akkumulering i jordbærkultivarer viser sterk tilknytning til kald toleranse. To genprodukter var spesielt korrelative med kuldetoleranse; dehydriner, og alkoholdehydrogenase. Likevel vil vi fortsatt måtte validere disse biomarkørene ytterligere slik at vi med høy sikkerhet kan bruke dem i markørbasert foredling. For å forstå mekanismen for kuldetoleranse hos jordbær har vi undersøkt transkriptnivået til åtte gener (dvs. totalt 1296 PCR) ekstrahert fra blad- og kronevev av tre markjordbærgenotyper som varierer i kaldtoleranse. Transkriptom resultatene ble også sammenlignet med proteomikkdata fra de samme prøvene. På denne måten identifiserte vi den viktigste kulde-responsive transkripsjonsfaktoren (CBF) i jordbær og fant at CBF-transkripsjonuttrykk viser god korrelasjon med kulde-toleranse. Da vi undersøkte om proteinuttrykk av Xero2 og Cor47 korrelerte med deres respektive transkript, fant vi overraskende i tilfelle av COR47, at de ikke gjorde det; noe som tyder på at forsiktighet bør utvises ved rutinemessig anvendelse av transkriptmarkører, utelukkende basert på proteindata. I løpet av prosjektperioden har vi også benyttet RNA-sekvensering (RNA-Seq) for å karakterisere det kulderesponsive transkriptomet i to oktoploide jordbærkultivarer som varierer i relativ kuldetoleranse. I fravær av et referansegenom av F x ananassa, ble forskjellige tilnærminger for transkriptomsammenstilling evaluert i forkant av differensialekspresjonssanalyser for å identifisere kulderesponsive transkripter i hver kultivar. RNAseq-data, fra 30 prøver av to jordbærkultivarer som viser varierende herdighet for kulde, ble satt sammen ved hjelp av differensielle de novo transkriptomstrategier ved bruk av Trinity-pipeline. På denne måten har vi funnet markante forskjeller i omfanget og tidspunktet for endringer i genuttrykk, som respons på kaldbehandling, hos disse to kultivarene som var forskjellige i relativ kuldetoleranse. Regulatoriske mekanismer som ligger til grunn for differensiell ekspresjon av kuldetoleranse-assosierte markører forventes i stor grad å være av genetisk karakter, men kan også være resultat av epigenetiske responser. I dette prosjektet har vi også gjort innledende studier av det epigenetiske bidraget til vinteroverlevelse hos jordbær. Denne forskningen pågår fortsatt i en PhD-studie som støttes av Høgskolen i Innlandet (INN). I dette prosjektet har vi også brukt markjordbær som modellplante for å identifisere regioner som regulerer kuldetoleranse, med det som endelig mål å identifisere lignende regioner i kommersielt jordbær (F × ananassa) eller mer ambisiøst; å overføre den viktige genomiske regionen (e) mellom arter. Vi har vært i stand til å identifisere en DNA-region på koblingsgruppe 2 som er assosiert med kuldetoleranse i markjordbær. Dette er virkelig et viktig funn for fremtidig anvendelse av molekylært DNA-baserte verktøy for å screene for kuldetoleransemateriale i vår nasjonale jordbærforedling. For å implementere funnet fra denne WP i det Norske foredlingsprogrammet på jordbær, må vi videre validere denne DNA-regionen i en uavhengig avlspopulasjon. Vi håper å kunne utføre dette i nær fremtid. For å konkludere, så har dette prosjektet vært meget vellykket på vitenskapelig og kommersielt nivå. Prosjektet har gitt enorme mengder nye og anvendbare resultater, og effekten av dette arbeidet har også bidratt til våre eksisterende produkter og effektivisert analysen av dem. Utfallet av dette forskningsprosjektet har vært en plattform for å etablere et foredlings- og forskningsnettverk med nasjonale og internasjonale institutter, f.eks. igangsette et Nordisk samarbeid (Public-Private Partnership) i jordbærforedling (prosjekt PPP_NORDFRUIT). Dette prosjektet har også skapt og gitt gode muligheter for forskningstrening for hovedfagsstudenter ved de deltakende institusjonene.

The project has been highly successful at scientific and commercial levels. The project has generated enormous amount of novel and applicable results; including: (i) gained immense genetic and molecular knowledge for breeding better cold tolerant strawberries; (ii) investigated and validated candidate molecular biomarkers for strawberry breeding; (iii) identify potential DNA regions regulating cold tolerance in the woodland model strawberry, which can be used to identify similar regions in the commercial strawberry. The impact of this work has also contributed to our existing products and make their analysis more efficient. The outcome of this research project has been a platform for establishing a breeding and research network with national and international institutes, e.g. initiating Nordic Public-Private Partnership in strawberry breeding. This project has also created and provided excellent research training opportunities for graduate students at the participating institutions.

Jordbær er den viktigste veksten innen norsk hagebruk. Et stort problem for dyrkerne er at sortene som dyrkes i dag med ujevne mellomrom blir utsatt for til dels store overvintringsskader. Det påvirker avlingsnivået og dermed også lønnsomheten for dyrkerne. Utvikling av vinterrobuste sorter er derfor et viktig avlsmål for Graminor. Overvintringsevne er dog en svært komplisert egenskap å foredle fram både fordi egenskapen i seg selv trolig er regulert av mange ulike gener og fordi utprøving og utvalg under naturlige frilandsforhold må skje over lang tid og er heftet med stor statistisk unøyaktig. Anvendelse av ny molekylærbiologisk teknologi og ny testmetodikk kan dog gi foredlerne verktøy som øker presisjon og effektiviteten en avlsarbeidet. Graminor har i to tidligere NFR-prosjekter samarbeidet med en forskergruppe bestående av nasjonale og internasjonale eksperter som har lett etter markører/biomarkører for lavtemperaturtoleranse. Gruppen har, ved siden av å publisere flere artikler i internasjonale periodika, også funnet flere biomarkør-kandidater for lavtemperaturtoleranse. Vi søker nå om å få undersøkt om disse biomarkørene kan benyttes i Graminors anvendte jordbærforedlingsprogram. Siden lavtemperaturtoleranse reguleres av mange gener, vil ikke biomarkørene kunne forklare hele variasjonen som observeres i overvintringsevne. Til det trengs flere markører. Nye høykapasitets genotypings-verktøy, skal derfor benyttes på Graminors foredlingslinjer. Sammenholdt med data hvor de samme linjene er testet for lav-temperaturstress/overvintringsevne, vil vi få et helhetlig bilde av hvilke gener/genregioner som påvirker overvintringsevnen og følgelig også ha et verktøy som foredlerne kan benytte i det daglige avlsarbeidet. Dette prosjektet benytter seg av avansert genteknologiske metoder. Vi er dog av den oppfatning at denne delen av prosjektet har lav risiko. Størst risiko knyttes til testingen av foredlingslinjene på en god og reproduserbar måte.