Wageningen, The Netherlands
August 24, 2023
The dream of every potato breeders is to combine all the desirable characteristics that can make potato more productive and resistant to the effects of climate change, diseases and pests. The process, however, is far from straightforward because of the complex genetic make-up of potato and its outcrossing nature. However, PhD candidate Corentin Clot of Wageningen University & Research made a number of discoveries related to potato sexual reproduction that could simplify the breeding of this important crop.
Our proposed approach offers a middle path solution, a ‘third way’ between conventional breeding and the true seed hybrid breeding scheme of potato.
Corentin Clot
Potato is one of the major staple crops worldwide, making it crucial to create varieties that combine excellent qualities with resistance against diseases and pests. Yet, the journey to develop these varieties is complex, as Corentin Clot explains. “Most potato varieties are tetraploid, which means they possess four copies of each chromosome, each containing its own hereditary information.”
This genetic complexity poses a challenge when it comes to passing on desired traits from crossing parents to their offspring. Clot: “To ensure that these traits can be transmitted as a whole into the next generation, the parents must be ’homozygous’. This implies that identical versions of the gene are present on all chromosomes. This is easily achieved in diploid potato through one round of self-fertilization. We call this first step fixation.”
Self-compatibility in cultivated varieties
To enable fixation, Clot investigated the trait of self-compatibility. This is the rare ability of a diploid potato to fertilize itself with its own pollen. In the first year of his PhD research, Clot made a surprising and important finding. He discovered that the gene involved in self-compatibility – the so-called Sli gene – is already present in tetraploid potato varieties.
“In previous research, the Sli gene had only been described for the diploid wild species Solanum chacoense. I discovered that this gene is widely present in contemporary potato varieties. This insight provides us with a more favourable starting point for breeding, as we don't have to rely on wild material. This immediately leads to a second finding: we thought that self-compatibility is a rarity, but if the Sli gene is ubiquitous, it means that pollen fertility of many diploids is a serious bottleneck for the breeder.”
Crosses between diploid and tetraploid parents
Compared to diploid potatoes, tetraploid varieties have been improved for many quality traits and high marketable yield. Thus, Clot looked for a way to cross tetraploid varieties with diploid parents that can transmit their fixed set of traits. “Normally, crosses between parents with unequal ploidy levels are not possible. When gametes (reproductive cells, ed.) are formed, the genetic material is halved. The pollen of a diploid parent will contain one copy of each chromosome, and the eggs of a tetraploid variety two copies of each chromosome. The triploid embryos resulting from such a cross cannot develop into seeds.”
However, if during pollen production the halving of chromosome number fails, a diploid parent will produce ‘unreduced pollen’ which can successfully fertilize the eggs of a tetraploid, Clot says. “Although this phenomenon was already empirically exploited by breeders, it was not clear how the restitution of chromosomes during gamete formation was genetically regulated. I have now localized the main hereditary factors that contribute to this trait. After fixation, this chromosome-restitution is the second step of our innovation.”
A ‘third way’ of breeding
Clot’s findings offer a new approach for potato breeders. “With our two-step strategy of fixation and restitution, we want to exploit the efficiency of a single selfing for trait fixation in diploids, while avoiding the loss of vigour that will arise after multiple rounds of self-fertilization. This phenomenon known as inbreeding depression is a tremendous challenge that researchers working on hybrid breeding must overcome: true-seed hybrids require fully homozygous inbred parents.”
With the two-step strategy, we only aim for fixation of a set of important genes and stay away from inbreeding, Clot says. “The partial inbreds we have in mind offer perhaps a more realistic option. Our proposed approach offers a middle path solution, a ‘third way’ between conventional breeding and the true seed hybrid breeding scheme of potato.”
Future steps
Building upon the legacy of Wageningen's potato geneticists, Clot feels proud to contribute to this research lineage. "Since the 1970s, decades of valuable research carried out at Wageningen Plant Breeding have laid the groundwork for innovative potato breeding.I'm glad to add another chapter to this legacy. In my postdoc, I'm collaborating with breeding companies to translate my research into practical applications. Together we hope to find a realistic and efficient way to breed better potato varieties.”
Promotieonderzoek opent deur naar efficiëntere aardappelveredeling
Het combineren van alle wenselijke eigenschappen die de aardappel productiever en resistenter kunnen maken tegen de gevolgen van klimaatverandering, ziekten en plagen. Dat is de droom van elke aardappelveredelaar. Vanwege de complexe genetische samenstelling van de aardappel en het uitkruisende karakter ervan is dit echter verre van eenvoudig. Promovendus Corentin Clot van Wageningen University & Research (WUR) deed een aantal ontdekkingen op het gebied van de seksuele voortplanting die veredeling van de aardappel kunnen vereenvoudigen.
Onze voorgestelde aanpak is een compromis tussen de uitersten, een ‘derde weg’ tussen conventionele veredeling en de hybride veredeling van aardappelen.
Corentin Clot
De aardappel is wereldwijd een van de belangrijkste voedselgewassen. Het is dan ook van cruciaal belang om rassen te kweken die hoogwaardige eigenschappen combineren met resistentie tegen ziekten en plagen. Maar de weg naar het ontwikkelen van deze rassen is erg complex, legt Corentin Clot uit. “De meeste aardappelrassen zijn tetraploïd. Dat houdt in dat ze voor alle erfelijke kenmerken niet twee (diploïd), maar vier kopieën hebben.”
Deze genetische complexiteit vormt een uitdaging bij het doorgeven van gewenste eigenschappen van kruisingsouders aan hun nakomelingen. Clot: “Om ervoor te zorgen dat eigenschappen niet ongericht, maar voorspelbaar kunnen worden doorgegeven aan de volgende generatie moeten de ouders ‘homozygoot’ zijn. Dat betekent dat identieke versies van het gen op alle chromosomen aanwezig zijn. Bij diploïde aardappelen kan dit gemakkelijk worden bereikt na één zelfbevruchting. Deze eerste stap noemen we fixatie.”
Zelfcompatibiliteit in gecultiveerde rassen
Om fixatie mogelijk te maken, onderzocht Clot de eigenschap van zelfcompatibiliteit. Dit is het zeldzame vermogen van een diploïde aardappel om zichzelf te bevruchten met zijn eigen stuifmeel. Al in het eerste jaar van zijn promotieonderzoek deed Clot een even verrassende als belangrijke bevinding. Hij ontdekte namelijk dat het gen dat betrokken is bij zelfcompatibiliteit – het zogenaamde Sli-gen – al aanwezig is in tetraploïde aardappelrassen.
“In eerder onderzoek was het Sli-gen alleen beschreven voor de diploïde wilde soort Solanum chacoense. Ik ontdekte dat dit gen ook alom aanwezig is in hedendaagse aardappelrassen. Dit inzicht geeft ons een gunstiger uitgangspunt voor de veredeling, omdat we niet meer afhankelijk zijn van deze wilde plant. Dit leidt meteen tot een tweede bevinding: we dachten dat zelfcompatibiliteit een zeldzaamheid is, maar als het Sli-gen alomtegenwoordig is, waarom zien we dan zelden spontaan bessen aan de plant? Kennelijk is goed stuifmeel geen vanzelfsprekendheid.”
Kruisingen tussen diploïde en tetraploïde ouders
Vervolgens zocht Clot een manier om tetraploïde rassen te verbeteren, door ze te kruisen met zijn diploïde ouders die allerlei inmiddels gefixeerde eigenschappen kunnen toevoegen. “Normaal gesproken zijn kruisingen tussen ouders met een ongelijk ploïdieniveau niet mogelijk. Wanneer gameten (geslachtscellen, red.) worden gevormd, wordt het genetische materiaal namelijk gehalveerd. Het stuifmeel van een diploïde ouder bevat één kopie van elk chromosoom, de eicellen van een tetraploïd ras twee. De triploïde embryo’s die uit zo’n kruising ontstaan, kunnen zich niet tot zaden ontwikkelen.”
Als tijdens de productie van stuifmeel de halvering van het aantal chromosomen echter mislukt, zal een diploïde ouder ‘ongereduceerd stuifmeel’ (unreduced pollen) produceren dat met succes de eicellen van een tetraploïde kan bevruchten. Clot: “Hoewel dit fenomeen al enige tijd bekend is bij veredelaars, was het niet duidelijk hoe de restitutie van chromosomen tijdens gametenvorming genetisch werd gereguleerd. Ik heb nu de belangrijkste erfelijke factoren gelokaliseerd die bijdragen aan deze eigenschap. Na fixatie is deze chromosoomrestitutie de tweede stap van onze innovatie.”
Een ‘derde manier’ van aardappelveredeling
De bevindingen van Clot bieden aardappelveredelaars nieuwe mogelijkheden. “Met onze tweestapsstrategie van fixatie en restitutie willen we de efficiëntie van een enkele zelfbestuiving benutten voor eigenschapsfixatie bij diploïden. Tegelijkertijd vermijden we het verlies aan groeikracht dat zal optreden na meerdere rondes van zelfbevruchting. Dit fenomeen – dat bekend staat als inteeltdepressie – is een enorme uitdaging voor onderzoekers die zich bezighouden met hybride veredeling. Om hybride rassen te maken heb je volledig homozygote inteeltlijnen nodig. Dit is van belang voor de uniformiteit van een hybride ras.”
Met de tweestapsstrategie streven we alleen naar de fixatie van een aantal belangrijke genen en vermijden we inteelt, zegt Clot. “Voorlopig is dit een meer realistische optie. Onze voorgestelde aanpak is een compromis tussen de uitersten, een ‘derde weg’ tussen conventionele veredeling en de hybride veredeling van aardappelen.”
Volgende stappen
Met zijn onderzoek bouwt Clot voort op de erfenis van Wageningse aardappelgenetici. “Ik ben er erg trots op een bijdrage te kunnen leveren aan deze onderzoekslijn. Al sinds de jaren zeventig vormt het waardevolle onderzoek van Wageningen Plant Breeding de basis voor innovatieve aardappelveredeling.Ik vind het mooi dat ik hier weer een hoofdstuk aan kan toevoegen. Voor mijn postdoc werk ik nu samen met veredelingsbedrijven om mijn PhD-onderzoek te vertalen naar praktische toepassingen. Samen hopen we een realistische en efficiënte manier te vinden om betere aardappelrassen te veredelen.”
Topics
Species
