Browsing by Subject "Doubled haploid lines"

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    Improving host resistance to Fusarium head blight in wheat (Triticum aestivum L.) and Gibberella ear rot in maize (Zea mays L.)
    (2023) Akohoue, Félicien; Miedaner, Thomas
    Fusarium head blight (FHB) in wheat and Fusarium (FER) and Gibberella ear rot (GER) in maize are major cereal diseases which reduce yield and contaminate kernels with several mycotoxins. In Europe, these diseases contribute to significant yield gaps and high mycotoxin risks across countries. However, existing management strategies related to agronomic practices are not fully effective, with some of them being cost-prohibitive. Enhancing host plant resistance is additionally required for managing the diseases more effectively and sustainably. Unfortunately, breeding for FHB resistance is challenged by complex interactions with morphological traits and the quantitative nature of the trait. In maize, available genetic resources have not been fully exploited to improve GER resistance in elite materials. In this work, we elucidated the complex interactions between FHB resistance and morphological traits, like plant height (PH) and anther retention (AR) in wheat. The effect of reduced height (Rht) gene Rht24 on AR and the contribution of genomic background (GB) to FHB resistance in semi-dwarf genotypes were also assessed. GB refers to all genomic loci, except major Rht genes, that affect the traits. To achieve this, 401 winter wheat cultivars were evaluated across five environments (location × year combination). All cultivars were genotyped using Illumina 25 K Infinium single-nucleotide polymorphism array. We performed correlation and path coefficient analysis, and combined single and multi-trait genome-wide association studies (GWAS). Our findings revealed significant genotypic correlations and path effects between FHB severity with PH and AR, which were controlled by several pleiotropic loci. FHB severity and PH shared both negatively and positively acting pleiotropic loci, while only positively acting pleiotropic loci were detected between FHB severity and AR. Rht-D1 is a major pleiotropic gene which exerted a negative effect on FHB resistance. These pleiotropic loci contribute to our understanding of the complex genetic basis of FHB resistance, and their exploitation can help to simultaneously select for FHB resistance with PH and AR. Contrary to Rht-D1b, Rht24b had no negative effect on FHB resistance and AR. This exhibits Rht24 as an important FHB-neutral Rht gene which can be integrated into breeding programs. Genomic estimated breeding values (GEBV) were calculated for each cultivar to assess GB. We observed highly negative GEBV for FHB severity within resistant wheat cultivars. Susceptible cultivars exhibited positive GEBV. Genomic prediction has a great potential and can be exploited by selecting for semi-dwarf winter wheat genotypes with higher FHB resistance due to their genomic background resistance. To tackle maize ear rot diseases, refined and stable quantitative trait loci (QTL) harboring candidate genes conferring resistances to FER and GER were identified. The effectiveness of introgression of two European flint landraces, namely “Kemater Gelb Landmais” (KE) and “Petkuser Ferdinand Rot” (PE) was evaluated. The prediction accuracy of using line performance as a predictor of hybrid performance for GER resistance was also evaluated within the two landraces. We applied a meta-QTL (MQTL) analysis based on 15 diverse SNP-based QTL mapping studies and performed gene expression analysis using published RNA-seq data on GER resistance. In total, 40 MQTL were identified, of which 14 most refined MQTL harbored promising candidate genes for use in breeding programs for improving FER and GER resistances. 28 MQTL were common to both FER and GER, with most of them being shared between silk (channel) and kernel resistances. This highlights the co-inheritance of FER and GER resistances as well as types of active resistance. Resistance genes can be transferred into elite cultivars by integrating refined MQTL into genomics-assisted breeding strategies. Afterwards, four GER resistant doubled haploid (DH) lines from both KE and PE landraces were crossed with two susceptible elite lines to generate six bi-parental populations with a total of 534 DH lines which were evaluated for GER resistance. GER severity within the six landrace-derived populations were reduced by 39−61% compared to the susceptible elite lines. Moderate to high genetic advance was observed within each population, and the use of KE landrace as a donor was generally more effective than PE landrace. This shows promise in enhancing resistance to GER in elite materials using the European flint landraces as donors. Furthermore, per se performance of 76 DH lines from both landraces was used to predict GER resistance of their corresponding testcrosses (TC). Moderate phenotypic and genomic prediction accuracy between TC and line per se performance was found for GER resistance. This implies that pre-selecting lines for GER resistance is feasible; however, TC should be additionally tested on a later selection stage to aim for GER-resistant hybrid cultivars.
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    Utilization of landraces of European flint maize for breeding and genetic research
    (2023) Renner, Juliane; Melchinger, Albrecht E.
    Mais ist eine der wichtigsten Kulturarten für die Landwirtschaft weltweit. Seit seiner Domestikation bildeten Landrassen den traditionellen Sortentyp. Durch Selektion und genetische Faktoren entstand eine breite Diversität an panmiktisch vermehrten Populationen, die gut an lokale Bedingungen angepasst waren. Dies änderte sich mit der Einführung der Hybridzüchtung, als nahezu alle Landrassen in der landwirtschaftlichen Produktion und als Ausgangsmaterial für die Züchtung verschwanden. Molekulare Analysen zeigen eine enge genetische Basis des Flint Pools im Vergleich zum Dent Pool. Genetische Ressourcen im Mais gehören zu den umfangreichsten aller Nutzpflanzen. Die Nutzung dieses bislang ungenutzten Reservoirs an genetischer Diversität in Landrassen bietet eine Möglichkeit, um der fortschreitenden Einengung der genetischen Basis entgegenzuwirken und somit den Aufgaben der Pflanzenzüchtung im Hinblick auf eine wachsende Weltbevölkerung sowie den Herausforderungen des Klimawandels und reduzierten Inputs im Anbau gerecht zu werden. Übergeordnetes Ziel dieser Studie war die Evaluierung europäischer Flint-Mais Landrassen, um deren genetische Vielfalt nutzen zu können. Im Speziellen waren die Ziele (i) die Variation in Testkreuzungen europäischer Mais-Landrassen zu bestimmen; (ii) die phänotypische und genotypische Variation der Linien innerhalb und zwischen Landrassen zu beurteilen; (iii) die Eigenleistung dieser Linien mit Elite-Linien sowie Founder-Linien aus dem europäischen Flint-Pool zu vergleichen; (iv) das Potential von doppelhaploiden (DH) Linien aus Landrassen im Vergleich zum Elitematerial für die Züchtung zu analysieren, um die enge genetische Basis des Flint-Pools zu erweitern; (v) die Verwendung von DH-Bibliotheken aus Landrassen für die Assoziationskartierung bis hin zur Eingrenzung kausaler Gene zu demonstrieren; und (vi) Schlussfolgerungen und Leitlinien für die Züchtung und Forschung zu erörtern , um DH-Linien aus Landrassen nutzbar zu machen. In einem ersten Versuch wurde eine umfangreiche Kollektion von 70 europäischen Flint-Landrassen mehrortig in Kombination mit zwei Elite Dent-Testern auf ihre Testkreuzungsleistung hin untersucht. Verglichen mit dem Ertrag moderner Hybriden war der Kornertrag der Testkreuzungen der Landrassen im Durchschnitt um 26 % geringer, jedoch wurde eine hohe genotypische Varianz zwischen den Landrassen für alle Merkmale beobachtet. Die Korrelationen waren mittel bis hoch für die meisten Merkmalskombinationen und entsprachen denen im Elitezuchtmaterial. Die genetische Korrelation der beiden Testkreuzungsserien überstieg 0,74 für alle Merkmale. Dies zeigt, dass es ausreicht die Leistung von Testkreuzungen in Kombination mit einem oder zwei Testern - bestehend aus Einfachkreuzungen des anderen Gen-Pools – zu bewerten, um das Potenzial von Landrassen für die Züchtung zu beurteilen. In einem zweiten Versuch produzierten wir Bibliotheken von DH-Linien der vielversprechendsten Landrassen des vorigen Versuches. Insgesamt wurden 389 DH-Linien aus sechs europäischer Flint Landrassen zusammen mit vier Flint Founder-Linien und 53 Elite Flintlinien auf 16 agronomische Merkmale an vier Standorten geprüft. Die genotypische Varianz (σ^2G) innerhalb der DH-Bibliotheken war größer als die zwischen den Bibliotheken und übertraf auch σ^2G der Elite Flintlinien. Darüber hinaus variierten die Mittelwerte und σ^2G zwischen den DH-Bibliotheken, was zu großen Unterschieden im Brauchbarkeits-Kriterium („usefulness“) führte. Der mittlere Kornertrag der Elite Flintlinien übertraf den der Flint Founder-Linien um 25 % und der DH-Bibliotheken um 62 %, was auf den beträchtlichen Zuchtfortschritt im Elitematerial hinweist sowie auf die erhebliche genetische Bürde, welche in den DH-Bibliotheken vorliegt. Die Brauchbarkeit der besten DH-Linien war trotzdem für viele Merkmale, einschließlich dem Kornertrag, mit der von Elite Flintlinien vergleichbar. Dies zeigt das enorme Potenzial, Landrassen zur Verbreiterung des genetisch engen Elite Flint-Pools zu verwenden. In einem dritten Versuch wurden das genetische Material des vorherigen Versuches mit dem MaizeSNP50 BeadChip von Illumina® genotypisiert und Samen aller Genotypen zur Extraktion und Analyse von 288 Metaboliten mit GC-MS verwendet. Sowohl die agronomischen Merkmale als auch die Metabolit-Daten wurden für eine Assoziationskartierung verwendet. Der schnelle Abfall des Kopplungsungleichgewichts benachbarter Marker in den DH-Bibliotheken im Vergleich zu den Elite Flintlinien führte zu einer hervorragenden Auflösung in der QTL-Kartierung, was durch die Feinkartierung eines QTL (= quantitative trait locus) für Ölgehalt bis zur Phenylalanin Insertion F469 in DGAT1-2 als kausale Variante demonstriert werden konnte. Darüber hinaus wurden für den Metaboliten Allantoin, der im Zusammenhang mit abiotischem Stress steht, Promotorpolymorphismen sowie die Expression einer Allantoinase als vermutete Ursache der Variation identifiziert. Dies gelang trotz der moderaten Größe der Kartierungspopulation. Diese Ergebnisse sind ermutigend, um DH-Bibliotheken von Landrassen für die Assoziationskartierung zu verwenden und QTL bis auf die kausalen Varianten zu entschlüsseln. Eine Erweiterung der Populationsgrößen der DH-Bibliotheken, ähnlich wie sie in anderen Versuchsdesigns in der Literatur verwendet wurden, ist hierbei zu empfehlen, um mit diesem Ansatz QTL zu detektieren, welche lediglich einen kleinen Teil der genetischen Varianz erklären. Dies eröffnet neue Wege zur Nutzung natürlicher und/oder neu geschaffener Allele in der Züchtung. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die genetische Variation europäischer Landrassen bei Flint-Mais eine einzigartige Quelle darstellt, um die fortschreitende Verengung der genetischen Basis des Elitematerials in diesem Gen-Pool umzukehren. Um vielversprechende Landrassen zu identifizieren, schlagen wir folgenden zweistufigen Ansatz vor: (i) Basierend auf der Bewertung der molekularen Diversität werden etwa hundert Landrassen in Leistungsprüfungen auf ihre Anpassungsfähigkeit für die Zielregionen evaluiert und ihre Kombinationsfähigkeit mit dem entgegengesetzten heterotischen Gen-Pool in Testkreuzungen mit einer Einfachkreuzung als Tester bewertet. (ii) Für eine geringe Zahl (< 6) von Landrassen wird anschließend eine große Anzahl von DH-Linien erstellt, welche für die Nutzung in der Assoziationskartierung und/oder genomischen Selektion phänotypisiert und genotypisiert werden, um diese „Goldreserven“ für die Maiszüchtung mit innovativen Methoden zugänglich zu machen.