Quantitative-trait loci (QTL) mapping of important agronomical traits of the grain and biomass production in winter rye (Secale cereale L.)

Abstract

Rye is an important crop in Northern and Eastern Europe and mainly used for food and feed and became most recently important for biogas production. Hybrid rye varieties dominate the cultivated area, which is mainly on light and sandy soils, because rye has a relatively high tolerance to biotic and abiotic stress factors. Climate change will also affect Central Europe, causing higher temperatures and less precipitation in spring and summer. Rye will be influenced more by these effects than other cereals because it is mainly grown on marginal environments. Rye has a high potential for being used as a biogas substrate, but detailed information on improving this trait in hybrid rye is missing. Until now, no study that analyzed phenotypic and genotypic agronomic traits for using rye for biogas production exists. Further, there is only one study, which dealt with the influence of periodic drought stress in rye cultivated areas. Beside this, we analyzed yield stability over a wide range of environments in consideration of drought stress in Central Europe. We analyzed an interpool hybrid population (Pop-D) in 2011 and 2012 at seven environments in Germany for the biomass yield and grain yield (Publication I). This study showed low correlations between grain yield and dry matter yield (r = 0.33). Higher correlations were obtained with two plant height measurements (at heading time, r = 0.64; before harvest, r = 0.52) and dry matter yield. The indirect selection via plant height was superior in contrast to the direct selection of dry matter yield by factor 1.24. Genotypic results confirmed phenotypic results as no overlapping QTL for grain yield and dry matter yield were detected (Publication II). However, we identified common gene regions for plant height and dry matter yield due to the high correlation between both. Plant height is a promising trait for indirectly selecting high biomass yielding varieties. The paradigm shift from shorter plants with high grain yield to taller hybrids as a resource for biogas substrate needs additional breeding efforts for lodging resistance. In Publication III we analyzed two intrapool populations (Pop-A and -B) and one interpool population (Pop-C) at 16 – 18 environments (location x year combinations) under irrigated and rainfed conditions in Germany and Poland. Yield stability was high over a wide range of environments, even when drought stress environments were included. This illustrates the adaption of rye to marginal and drought stress environments. The analyzed populations showed no differences within yield stability, but yield differences between inter- (Pop-C) and intra-pool (Pop-A and -B) crosses were visible. Selection for yield stability is possible due to the genetic variance for this trait within all three populations. Therefore, it is important to select genotypes with low genotype x environment interaction. All three populations showed high yield stability on a high yield level and were already well adapted to extreme weather events caused by climate change. It is recommended to use highly diverse environments with irrigated and rainfed conditions to select on yield stability and high yielding varieties under optimum and drought conditions

Roggen ist eine Kulturart des nord- und osteuropäischen Raumes und neben seiner Hauptnutzung als Brot- und Futtergetreide wird Roggen auch zunehmend zur Biogasproduktion verwendet. Hybridsorten dominieren den Anbau, der meist auf leichten und sandigen Böden erfolgt, da Roggen biotischen und abiotischen Stress besser als andere Kulturarten toleriert. Durch den weltweiten Klimawandel ist auch Zentraleuropa von zunehmenden Wetterextrema betroffen, die höhere Temperaturen und weniger Niederschlag im Frühjahr und Sommer hervorrufen, Roggen wird von diesem Einfluss stärker als andere Kulturarten betroffen sein, da der Anbau meist auf marginalen Böden erfolgt. Roggen weist ein hohes Potential zur bioenergetischen Nutzung auf, allerdings existiert bisher keine Studie, die phänotypische und genotypische Parameter zur Nutzung von Roggen zur Biogasproduktion näher untersucht hat. Ebenso gibt es bisher nur eine Studie, die sich genauer mit dem periodischen Einfluss von Trockenstress auf den Roggenanbau befasst hat. Daher untersuchten wir die Ertragsstabilität über eine Vielzahl an Umwelten in Zentraleuropa unter der Berücksichtigung von reduziertem Wasserangebot. Wir untersuchten eine Interpool-Population (Pop-D) in 2011 und 2012 in sieben Umwelten in Deutschland auf ihre Biomasse- und Kornertragsleistung (Publikation I). Die Korrelation zwischen Kornertrag und Trockenmasseertrag mit r = 0.33 war gering. Höhere Korrelationen wurden zwischen zwei Wuchshöhemessungen zum Zeitpunkt des Ährenschiebens (r = 0.64) und der Abreife (r = 0.52) und dem Trockenmasseertrag bestimmt. Die indirekte Selektion auf Wuchshöhe war der direkten Selektion auf Trockenmasseertrag relativ um den Faktor 1,24 überlegen. Die genetische Architektur dieser Merkmale untermauerte die phänotypisch dargestellten Ergebnisse (Publikation II). Wir identifizierten Quantitative-Trait Loci (QTL), die für die Ausprägung der Wuchshöhe und der Trockenmasse verantwortlich sind, wobei es keine Übereinstimmungen zwischen Trockenmasse und Kornertrag gab. Das Merkmal Wuchshöhe eignet sich besonders für eine indirekte Selektion auf biomassestarke Typen. Der damit verbundene Paradigmenwechsel von kürzeren und standfesten Hochertragssorten für den Kornertrag hin zu wuchsstarken Hybriden für die Biogasproduktion muss aber mit einem verstärkten Focus auf Standfestigkeit einhergehen. In Publikation III wurden zwei Intrapool-Populationen (Pop-A und -B) und eine Interpool-Kreuzung (Pop-C) an insgesamt 16 – 18 Umwelten (Ort x Jahr Kombinationen) in Deutschland und Polen unter bewässerten und unbewässerten (regenabhängigen) Bedingungen analysiert. Die Ertragsstabilität der Hybriden über die Vielzahl an Umwelten war hoch, sogar wenn Trockenstressumwelten in die Analyse einflossen. Dies verdeutlichte die Anpassung von Roggen an marginale und Trockenstressumwelten. Zwischen den untersuchten Populationen gab es dabei keine Unterschiede in der Ertragsstabilität, allerdings zeigte sich der Ertragsunterschied zwischen der Interpool-Kreuzungen (Pop-C) und den Intrapool-Kreuzungen (Pop-A und Pop-B). Züchterisch kann in dem untersuchten Elitematerial allerdings noch auf Ertragsstabilität selektiert werden, da beim Kornertrag innerhalb der Populationen eine genetische Variation vorhanden ist. Für die weitere Züchtung ist es daher wichtig Genotypen mit einer geringen Genotyp x Umwelt Interaktion zu selektieren. Insgesamt zeigten die drei untersuchten Populationen bereits eine hohe Ertragsstabilität auf einem hohen Ertragsniveau und sind an Wetterextreme, die durch den Klimawandel häufiger auftreten angepasst. Es wird vorgeschlagen in Zukunft unterschiedliche Umwelten mit bewässerten und unbewässerten Bedingungen zu kombinieren, um auf Ertragsstabilität und Hochertragstypen unter optimalen und Trockenstressbedingungen zu selektieren.