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Doctoral Thesis
2023
Utilization of landraces of European flint maize for breeding and genetic research
Utilization of landraces of European flint maize for breeding and genetic research
Abstract (English)
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.
Abstract (German)
Maize is one of the most important crops species for agriculture worldwide. Since its domestication, landraces formed the traditional type of variety. Selection and genetic factors formed a broad diversity of open-pollinated populations well adapted to local conditions. This changed with the introduction of hybrid breeding when nearly all existing landraces disappeared from their use in agriculture and as source material for breeding. Molecular analyses showed a narrow genetic base of the flint heterotic pool compared to the dent pool. Since genetic resources in maize are one of the richest of all major crops, the exploitation of this untapped reservoir of genetic variation in landraces could be an option to reverse the ongoing narrowing of the genetic basis to meet the demands of a growing world population as well as new challenges under a changing global climate and reduced inputs.
The main goal of this study was the evaluation of European flint maize landraces to unlock their genetic diversity. In detail our objectives were to (i) determine the variation for testcross performance of European maize landraces; (ii) evaluate the phenotypic and genotypic variation of immortalized lines within and among landraces; (iii) compare the per se performance of those line libraries with elite lines as well as founder lines from the European flint germplasm pool; (iv) analyze the breeding potential of immortalized lines from landraces in comparison with elite material to improve the narrow genetic base of the flint heterotic pool; (v) demonstrate the high mapping resolution of DH libraries from landraces in association mapping down to causal variants and underlying genes; and (vi) provide conclusions and guidelines for breeding and research using libraries of immortalized lines from landraces.
In a first experiment, we evaluated in multi-environment trials a broad collection of 70 European flint landraces for their testcross performance in combination with two elite dent testers. In comparison with the yield of modern hybrids, grain yield of the testcrosses of landraces was on average 26% lower, but a high genotypic variance among the landrace was observed for all traits and correlations were moderate to high for most trait combinations similar to those found in elite materials. Genetic correlations between the two testcross series exceeded 0.74 for all traits, suggesting that evaluation of testcross performance in combination with one or two single-cross tester(s) from the opposite pool is sufficient to assess the breeding potential of landraces.
In a second experiment, we produced libraries of DH lines from the most promising landraces identified in the first experiment. In total 389 DH lines from six European flint landraces were evaluated together with four flint founder lines and 53 elite flint lines for 16 agronomic traits in four locations. In general, the genotypic variance (σ^2G) was larger within than among the DH libraries and exceeded also σ^2G of the elite flint lines. Furthermore, the means and σ^2G varied among the DH libraries resulting in large differences of the usefulness criterion. Mean grain yield of the elite flint lines exceeded that of the flint founder lines by 25% and DH libraries by 62%, indicating the impressive breeding progress achieved in the elite material and the substantial genetic load still present in the DH libraries. Nevertheless, the usefulness of the best DH lines was comparable to that of the elite flint lines for many traits including grain yield, underpinning the tremendous potential of landraces for broadening the genetic base of the elite germplasm.
In a third experiment the materials from the 2nd experiment were genotyped with the MaizeSNP50 BeadChip from Illumina® and seeds of all genotypes were used for extracting and analyzing 288 metabolites with GC-MS. Data for agronomic traits and metabolites were used for a novel association mapping study. The much faster decay of linkage disequilibrium for adjacent markers in the DH libraries compared with the elite flint lines resulted in unprecedented map resolution. This was strikingly demonstrated by fine-mapping a QTL for oil content down to the phenylalanine insertion F469 in DGAT1-2 as the causal variant. Further, for the metabolite allantoin, which is related to abiotic stress response, promoter
polymorphisms as well as differential expression of an allantoinase were identified as putative causes of variation despite a moderate size of the mapping population. These results are very encouraging to use DH libraries from landraces for association mapping and dissect QTL potentially down to the causal variants. However, larger population sizes of each DH library are recommended, similar to those commonly used with other approaches such as the NAM design, for detection of QTL explaining only a small portion of the genetic variance. This opens a new avenue for utilization of natural and/or engineered alleles in breeding.
In conclusion, the genetic variation present in European flint maize landraces represents a unique source to reverse the ongoing narrowing of the genetic basis of the elite germplasm of this heterotic pool. For identifying the most promising landraces, we propose a multi-stage approach, where based on an assessment of the molecular diversity about one hundred landraces are evaluated in observation trials for agro-ecological adaptation and testcrosses with one single-cross tester are used for evaluating their general combining ability with the opposite heterotic pool. For a small number (< 6) of landraces a large number of DH lines are developed, which are phenotyped and genotyped for further use in association mapping and genomic selection with the ultimate goal to make these “gold reserves” accessible for maize breeding with modern approaches.
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Notes
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Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Plant Breeding, Seed Science and Population Genetics
Examination date
2023-01-18
Supervisor
Edition / version
Citation
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DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Renner2023,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6835},
author = {Renner, Juliane},
title = {Utilization of landraces of European flint maize for breeding and genetic research},
year = {2023},
school = {Universität Hohenheim},
}