Wageningen, The Netherlands
April 17, 2025
April 17, 2025
Research by German scientists into the genetic makeup of European potato varieties has revealed that, despite significant differences between chromosomes, these varieties share a narrow genetic base. The findings, from a study that also involved Wageningen University & Research, will help inform new strategies for breeding more resilient potato varieties.
The researchers from the Ludwig Maximilian University of Munich (LMU) and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research, in collaboration with researchers from Wageningen, selected ten heritage potato varieties, some of which were already being cultivated in the 18th century. According to Ronald Hutten, the curator of the Potato Pedigree Database, which includes lineage data for almost 10,000 potato varieties, these varieties represent the ‘Founding Fathers’ of modern potatoes. They date from the first phase of European breeding programmes.
A narrow base
Because a potato has four sets of chromosomes, these 10 varieties could theoretically contain a maximum of 40 different sources (unique haplotypes). However, it turns out that large regions of many chromosomes are identical. On average, there are no more than nine different haplotypes. And that covers 85 percent of the genetic variants (haplotypes) found in modern European potatoes. Wageningen potato geneticists Ronald Hutten and Herman van Eck say they cannot explain this based on lineage data alone. Written sources on lineage only go back as far as 1820. So, the European potato has a very narrow genetic base, derived from a small number of plants originally introduced into Europe. Or could various bottlenecks have reduced genetic variation? Any plants that were poorly adapted to the European climate and to our long daylight hours would have been lost. Potato blight wiped out the most susceptible plants. In 1845, this disease caused a devastating famine, especially in Ireland, but also in other parts of Europe.
Large genetic diversity
So, while there aren’t many haplotypes, paradoxically those haplotypes are actually very diverse. On average, in a stretch of DNA there are variants at a frequency of in one in 50 nucleotides, the building blocks of DNA. This is substantially more than in other crops. The genetic distance between the potato haplotypes is almost as great as the differences between tomato, potato and aubergine chromosomes.
It’s likely that this variation preceded the arrival of the potato in Europe. Indigenous peoples in South America began domesticating tuber-bearing Solanum species between 10,000 and 7,000 years ago. Crossbreeding among different species increased the diversity.
The Haplotype Graph
The researchers combined their data into a “haplotype graph” based on mathematical graph theory. The linear DNA chain of a chromosome can be visualised as a railway line going from A to B. Two chromosomes jointly form a double track, with switches connecting the tracks, so a train can run on either the left or right lane. All the potato chromosomes in the study collectively form a complex network resembling a rail yard.
This haplotype graph is a useful tool for reconstructing the tetraploid genome of other potato varieties, even when only limited information on the DNA sequence is available. A small amount of specific DNA variants from Russet Burbank – a favourite potato variety for chips – enabled the identification of the four tracks in the rail yard. Each track then represents the reconstruction of the chromosome.
Pollination of potato flowers (photo: Guy Ackermans)
New methods for potato breeding
According to potato geneticist Herman van Eck, the research findings confirm insights that had already been suspected based on previous limited data. These insights are very useful in the development of new methods of potato breeding.
Ordinarily, new potato varieties are selected from crosses between potatoes with four sets of chromosomes. In Wageningen, co-author Ronald Hutten has spent decades working on a breeding programme using diploid potatoes (two sets of chromosomes). These diploids are essential for developing a new breeding method to create F1 hybrid potato varieties. One of the challenges of this method is that diploid potatoes must be inbred through self-pollination. “We now have a better understanding of which tracks in the chromosomal rail yard we can use to build suitable chromosomes for F1 hybrids. After all, each potato variety has a unique combination of chromosomes. If mutations lead to certain genes no longer functioning, vigorous plants will compensate for this using functional variants on another chromosome.”
In the long run, the researchers expect to be better able to predict which parent combinations can produce offspring with the desired chromosome variants. This will enable more efficient and targeted development of robust potato varieties.
Genetische basis van onze aardappelrassen blijkt smal maar divers
Ondanks grote verschillen tussen chromosomen hebben Europese aardappelrassen een smalle genetische basis. Dit blijkt uit onderzoek van Duitse wetenschappers naar de genetische samenstelling van de aardappel, waaraan ook Wageningen University & Research heeft meegewerkt. De ontdekking draagt bij aan nieuwe strategieën voor de veredeling van sterkere aardappelrassen.
De onderzoekers van de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) en het Max Planck Instituut voor Plantveredeling selecteerden samen met Wageningse onderzoekers tien historische aardappelrassen, waarvan sommige al in de 18e eeuw werden geteeld. Volgens de Wageningse database, met afstammingsgegevens van bijna tienduizend aardappelrassen, representeren deze rassen de ‘Founding Fathers’ van de moderne variëteiten. Ze stammen uit de eerste fase van Europese veredelingsprogramma’s.
Een smalle basis
Omdat een aardappel vier sets chromosomen heeft, zou je in deze tien rassen maximaal 40 verschillende bronnen (unieke haplotypes) kunnen terugvinden. Nu blijkt dat grote stukken van veel chromosomen identiek zijn. Gemiddeld worden niet meer dan negen verschillende haplotypes gevonden. En hiermee is ook 85 procent van de genetische varianten (haplotypes) van moderne Europese aardappelen verzameld. Wageningse aardappelgenetici Ronald Hutten en Herman van Eck kunnen dit op basis van stamboomgegevens niet verklaren. Er zijn geen schriftelijk bronnen over afstamming ouder dan 1820. De Europese aardappel heeft dus een erg smalle genetisch basis, afkomstig van een klein aantal oorspronkelijk in Europa geïntroduceerde planten. Of hebben allerlei bottlenecks de genetische variatie versmald? Materiaal dat niet goed is aangepast aan het Europese klimaat en onze lange dagen ging verloren. Door de aardappelziekte zijn de meest vatbare planten verloren gegaan. In 1845 veroorzaakte de aardappelziekte een verwoestende hongersnood, vooral in Ierland, maar ook in andere delen van Europa.
Grote genetische diversiteit
Er zijn dus niet veel haplotypes, maar paradoxaal genoeg zijn die haplotypes wel heel verschillend. Gemiddeld is van de bouwstenen van het DNA 1 op de 50 nucleotiden anders. Dit is aanzienlijk meer dan bij andere gewassen. De genetische afstand tussen de aardappel haplotypes is bijna net zo groot als de verschillen tussen tomaat, aardappel en aubergine chromosomen.
Waarschijnlijk ontstond deze variatie al voordat de aardappel naar Europa kwam. Inheemse volkeren in Zuid-Amerika begonnen tussen 10.000 en 7.000 jaar geleden met het domesticeren van knoldragende Solanum-soorten. Door kruisingen tussen wilde soorten nam de diversiteit toe.
De haplotype-graaf
De onderzoekers brachten hun gegevens samen in een ‘haplotype-graaf’, gebaseerd op de grafentheorie uit de wiskunde. De lineaire DNA-keten van een chromosoom kun je zien als een spoorlijn van A naar B. Twee chromosomen samen vormen dan een dubbelspoor, waarbij wissels de sporen verbinden, zodat een trein op een traject kan rijden over het linker of rechter baanvak. Alle aardappelchromosomen uit het onderzoek tezamen vormen een complex netwerk dat lijkt op een rangeerterrein.
Deze haplotype-graaf is een handig gereedschap om het tetraploïde genoom van andere aardappelrassen te reconstrueren, ook als hiervan de DNA-sequentie slechts oppervlakkig bekend was. Met een kleine hoeveelheid specifieke DNA-sequenties van Russet Burbank - een belangrijk ras voor de patatindustrie - konden de vier trajecten in het rangeerterrein herkend worden. Elk traject representeert dan de reconstructie van het chromosoom.
Nieuwe methoden aardappelveredeling
Volgens aardappelgeneticus Herman van Eck bevestigen de onderzoeksresultaten inzichten die eerder op basis van beperkte gegevens werden vermoed. Deze inzichten zijn van grote waarde voor de ontwikkeling van nieuwe methoden van aardappelveredeling.
Normaal gesproken worden nieuwe aardappelrassen geselecteerd uit kruisingen tussen aardappels met vier sets chromosomen. In Wageningen werkt medeauteur Ronald Hutten al decennia aan een veredelingsprogramma met diploïde aardappels (twee sets chromosomen). Deze diploïden zijn onmisbaar voor de ontwikkeling van een andere veredelingsmethode om F1-hybride aardappelrassen te kweken. Een uitdaging bij deze methode is dat diploïde aardappels moeten worden ingeteeld via zelfbevruchting. “We krijgen nu beter inzicht in welke baanvakken uit het chromosomale rangeerterrein we kunnen gebruiken om geschikte chromosomen te bouwen voor F1-hybriden. Elk aardappelras heeft immers een unieke combinatie van chromosomen. Wanneer bepaalde genen door mutaties niet meer functioneren, compenseren groeikrachtige planten dit met werkende varianten op een ander chromosoom.”
Op termijn verwachten de onderzoekers hierdoor beter te kunnen voorspellen welke oudercombinaties de gewenste chromosoomvarianten kunnen opleveren. Dit maakt het mogelijk om efficiënter en gerichter sterke aardappelrassen te ontwikkelen.
Topics
Species
