Genomik unterstützte Diagnostik und Epidemiologie von Quarantäneorganismen und landwirtschaftlich relevanten Schädlingen

• Forschungsstelle: AGS
• Projektnummer: 14.12.3.1
• Projekttitel Englisch: Genomics assisted diagnostics and epidemiology of quarantine organisms and agronomically relevant pests

Schlüsselwörter (Englisch)

Invasion biology, molecular ecology, molecular epidemiology, source tracking, identification, barcoding, quarantine organisms, pests, marker development, marker assisted breeding

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die korrekte Identifikation von landwirtschaftlich wichtigen Schädlingen ist eine wesentliche Grundlage für einen erfolgreichen und nachhaltigen Pflanzenschutz. Sie dient als Entscheidungsgrundlage für Quarantänemassnahmen und ist eine wichtige Voraussetzung für das Funktionieren von Modellen zur Vorhersage über ihr Auftreten. Zusammen mit epidemiologischen Daten und mit Daten über relevante Eigenschaften dieser Schädlinge bilden diese Informationen die Basis für die Entwicklung robuster und zuverlässiger Pflanzenschutz-Strategien.

Dieses Tätigkeitsfeld umfasst zwei Projektgruppen. Die Projekte der ersten Gruppe „Genomik und Bioinformatik“ befassen sich mit Erarbeitung der Grundlagen und der Datenanalyse, diejenigen der zweiten Gruppe „Molekulare Diagnostik und Epidemiologie“ mit der entsprechenden Umsetzung.

Genomik und Bioinformatik – Unter Einsatz von Genom- und Transkriptomsequenzierung und der dazu notwendigen Bioinformatik suchen wir genetische Marker für eine präzise Diagnose von Schädlingen, die schwierig zu identifizieren sind, z.B. zur Differenzierung von Pathovaren pflanzenpathogener Bakterien, von unterschiedlichen Virenstämmen, oder von nahe verwandten Insekten. Die Technologie wird auch für metagenomische Untersuchungen mikrobieller Ökosysteme eingesetzt.

Molekulare Diagnostik und Epidemiologie – In dieser Projektgruppe werden diagnostische Methoden und die dazu notwendigen Marker entwickelt sowie die eigentlichen Diagnosen und Genotypisierungen durchgeführt. Die im Rahmen des ersten Projekts erarbeitete Information wird zu praxistauglichen diagnostischen Tests weiterentwickelt. Diese Tests ermöglichen eine rasche und präzise Diagnostik von Quarantäneorganismen und andern landwirtschaftlich wichtigen Schädlingen. Ausserdem bilden sie die Basis für epidemiologische bzw. populationsgenetische Untersuchungen, beispielsweise zur Invasionsbiologie neuer Schädlinge.

Die Ergebnisse aus der ersten Projektgruppe sind eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg der Arbeiten in der zweiten Projektgruppe. Die Relevanz der Projekte zeigt sich unter anderem bei an Flughäfen entdeckten Quarantäneorganismen, wo eine rasche und zuverlässige Diagnose unverzichtbar ist. Beide Projektgruppen ergänzen sich ideal und in beiden besteht eine enge Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen innerhalb des IPB und Agroscope sowie mit dem BLW.

Projektziele (Deutsch)

Genomik und Bioinformatik
1.     Im Rahmen des Aufbaus des „Agroscope Netzwerk Genomik und Bioinformatik“ (ANET-GB) wird die Bioinformatik-Infrastruktur weiter entwickelt und in Projektzusammenarbeit Agroscope-weit zur Verfügung gestellt.
2.     Vergleichende Genomanalysen zwischen pflanzenpathogenen Mikroorganismen und nicht-pathogenen nahen Verwandten werden durchgeführt, um Taxon-spezifische Sequenzen und Pathogenitäts-Gene zu identifizieren.
Diese Information wird dazu eingesetzt, spezifische Identifikationstests zu entwickeln und neue Pflanzenschutzstrategien auszuarbeiten. Vergleichende Genom- und Transkriptomanalyse wird auch eingesetzt, um z.B. die Pathogenizität eines der wichtigsten pflanzenpathogenen Nematoden zu untersuchen.
3.     Studien zur mikrobiellen Biodiversität in verschiedenen Systemen werden im Rahmen des AFP „Mikrobielle Biodiversität“ und in Projektzusammenarbeit mit Forschungsgruppen aus ganz Agroscope mit genomischen und metagenomischen Methoden durchgeführt.

Molekulare Diagnostik und Epidemiologie
4.     Molekulare Diagnostik – Die Quarantäneorganismen werden fristgerecht identifiziert, die entwickelten/eingesetzten Methoden entsprechen dem aktuellen Standard. Die entwickelten molekularen Marker sind zuverlässig und werden effizient eingesetzt.   
5.     Molekulare Epidemiologie und Invasionsbiologie – Populationsgenetische und epidemiologische Untersuchungen agronomisch relevanter oder invasiver Organismen werden durchgeführt, um die Populationsstruktur und die wichtigsten Ausbreitungswege kennen zu lernen und damit Ansatzpunkte für einen verbesserten Pflanzenschutz und bessere Quarantänemassnahmen zu erhalten.

Neue Kenntnisse/Literatur (Deutsch)

Frey J.E., Guillén L., Frey B., Samietz J., Rull J., Aluja M., 2013. Developing diagnostic SNP panels for the identification of true fruit flies (Diptera: Tephritidae) within the limits of COI-based species delimitation. BMC Evolutionary Biology 13 (1), 106.

Smits T.H., Rezzonico F., López M.M., Blom J., Goesmann A., Frey J.E., Duffy B., 2013. Phylogenetic position and virulence apparatus of the pear flower necrosis pathogen Erwinia piriflorinigrans CFBP 5888T as assessed by comparative genomics. Syst Appl Microbiol. 2013 May 29. doi:pii: S0723-2020(13)00069-6.

Bühlmann A., Pothier J.F., Tomlinson J.A., Frey J.E., Boonham N., Smits T.M., Duffy, B., 2012. Genomics-informed design of loop-mediated isothermal amplification for detection of phytopathogenic Xanthomonas arboricola pv. pruni at the intraspecific level. Plant Pathology, doi: 10.1111/j.1365-3059.2012.02654.x .

Mann R.A., Blom J., Bühlmann A., Plummer K.M., Beer S.V., Luck J.E., Goesmann A., Frey J.E., Rodoni B.C., Duffy B., Smits T.H.M., 2012. Comparative analysis of the Hrp pathogenicity island of Rubus- and Spiraeoideae-infecting Erwinia amylovora strains identifies the IT region as a remnant of an integrative conjugative element. Gene 504, 6-12.

Walsh F., Ingenfeld A., Zampiccoli M., Hilber M., Frey J.E., Duffy B., 2011. Real-time PCR methods for quantitative monitoring of streptomycin and tetracycline resistance genes in agricultural ecosystems. Journal of Microbiological Methods. 86, 150-155.

Holterman M., Oggenfuss M., Frey J.E., Kiewnick S., 2011. Evaluation of high resolution melting curve analysis as a new tool for root-knot nematode diagnostics. J. Phytopathology 160, 59-66.

Jänsch M., Frey J.E., Hilber-Bodmer M., Broggini G.A.L., Weger J., Schnabel G., Patocchi A., 2011. SSR marker analysis of Monilinia fructicola from Swiss apricots suggests introduction of the pathogen from neighbouring countries and the United States. Plant Pathology, DOI: 10.1111/j.1365-3059.2011.02511.x

Pasquer F., Pelludat C., Duffy B., Frey J.E., 2010. Broad spectrum microarray for fingerprint-based bacterial species identification. BMC Biotechnology 10, 13.

Brunner P., Frey J.E., 2010. Habitat-specific population structure in native western flower thrips Frankliniella occidentalis (Insecta, Thysanoptera). Journal of Evolutionary Biology 23, 797-804, doi:10.1111/j.1420-9101.2010.01946.x.

Pelludat C., Duffy B., Frey J.E., 2009. Design and development of a DNA microarray for rapid identification of multiple European quarantine phytopathogenic bacteria. European Journal of Plant Pathology 125, 413-423.

Pasquer F., Pfunder M., Frey B., Frey J.E., 2009. Microarray-based genetic identification of beneficial organisms as a new tool for quality control of laboratory cultures. Biocontrol Science and Technology 19 (8), 809-833.

Frey J.E., Frey B., Baur R., 2004. Molecular identification of the Swede Midge Contarinia nasturtii (Diptera: Cecidomyiidae). Canadian Entomologist 136:771-780.

Brunner P.C., Fleming C., Frey J.E., 2002. A molecular identification key for economically important thrips species (Thysanoptera: Thripidae) using direct sequencing and a PCR-RFLP-based approach. Agricultural and Forest Entomology 4: 127-136.

Forcioli D., Frey B., Frey J.E., 2002. High Nucleotide Diversity in the para-like Voltage-Sensitive Sodium Channel Gene Sequence in the Western Flower Thrips, Frankliniella occidentalis (Thysanoptera: Thripidae). Journal of Economic Entomology 95: 838-84.

Frey J.E., 1999. Genetic flexibility of plant chloroplasts. Nature 398:115-116.

Kunden/Berichterstattung (Deutsch)

• BLW – Präzise und fristgerechte Diagnosen für die Import-Kontrolle; Entwicklung neuer diagnostischer Tests
• IPB – Zusammenarbeit in genetischen, genomischen (inkl. Transkriptomik und Metagenomik) und populationsgenetischen/invasionsbiologischen Projekten; Unterhalt und Weiterentwicklung der bioinformatischen Analysepipelines für genomische, transkriptomische, metagenomische und populationsgenetische Studien; Bereitstellen der Datensicherung.
• Agroscope – Projektspezifische Zusammenarbeit, Einbringen unserer Expertise in molekularer Diagnostik, Genomik und Bioinformatik.
• Die entwickelten diagnostischen Tests stehen dem freien Markt zur Verfügung.

Die Forschungsergebnisse werden in wissenschaftlichen Publikationen, Fachzeitschriften und an nationalen und internationalen Tagungen veröffentlicht.