Inheritance of Barley yellow dwarf virus resistance in maize

Abstract

Barley yellow dwarf (BYD) is one of the economically most important virus diseases in cereals. Due to increasing winter temperatures it is expected that BYD will become an increasing problem in maize cultivation. In earlier studies, it was reported that BYD has a negative impact on plant performance of maize. BYD virus (BYDV) is transmitted by aphids and the best control of the virus is the development of resistant maize cultivars. Therefore, the first objectives of my thesis research were to (i) determine phenotypic and genotypic variation in five segregating populations and in a broad germplasm set of maize with respect to BYDV tolerance and resistance as well as to (ii) quantify the influence of BYDV infection on the plant traits plant height, ear height, and flowering time. I observed a negative impact of BYDV infection on maize plant traits which shows that the development of resistant maize cultivars is of high importance for maize cultivation. Furthermore, in the connected biparental populations as well as in the association mapping population, I observed a high genotypic variance with regard to BYDV resistance which is the requirement for successful breeding and the identification of genome regions which contribute to BYDV resistance. The evaluation of BYDV resistance by the inoculation with BYDV and by double antibody sandwich enzyme-linked immunosorbent assay (DASELISA) is dificult to be included in the breeding process. Therefore, molecular markers are of high importance for the improvement of BYDV resistance by breeding. Therefore, the objective of this study was the (iii) identification of genome regions which are involved in the BYDV resistance by a genome wide association study (GWAS). For the BYDV resistance traits, significantly (α=0.01) associated SNPs were identified in the GWAS on chromosome 10 and 4. The SNPs identified for virus extinction on chromosome 10 explained in a simultaneous fit 25% of the phenotypic variance and were located in gene regions which were in other plants described to be involved in resistance mechanisms. This suggests that BYDV resistance is inherited oligogenically and that genes involved in general resistance mechanisms are also involved in BYDV resistance in maize. GWAS has the advantage that a large number of alleles per locus can be surveyed simultaneously, and because historical recombinations can be used, the mapping resolution is higher compared to classical linkage mapping. Nevertheless, genes contributing to phenotypic variation which show a low allele frequency can remain undetected. Due to a balanced allele frequency in segregating populations, linkage mapping has the advantage of higher QTL detection power compared to GWAS. Therefore, the objective of this study was to (iv) validate the genome regions with a linkage analysis in connected biparental crosses. The genome region on chromosome 10 which was identified in the GWAS to be linked to BYDV resistance could be validated in the linkage mapping study with connected populations as well as in the single populations. Furthermore, the QTL on chromosome 10 colocalized with the QTL identified in controlled greenhouse conditions. In earlier studies, QTL for other virus resistances were identified on chromosome 10. This suggests that these genes are involved in multiple virus resistances. The identified genome regions explain 45% of the phenotypic variance and are, therefore, promising for the use in MAS. The broad genotypic variation with regard to BYDV resistance, observed in my thesis research, provided a good basis for the successful identification of molecular markers which are associated with BYDV resistance in maize. The markers identified in my study by GWAS were validated by a linkage mapping approach and are promising for the use in marker assisted selection on BYDV resistance in maize breeding.

Die Gerstengelbverzwergung (Barley yellow dwarf, BYD) gehört wirtschaftlich zu den wichtigsten Viruskrankheiten im Getreide. Aufgrund steigender Wintertemperaturen wird auch in Mais erwartet, dass die BYD in Zukunft ein wachsendes Problem wird, zumal aus bisherigen Studien bekannt ist, dass die BYD einen negativen Einfluss auf Mais hat. Die effektivste Methode zur Bekämpfung des BYD Virus (BYDV), welches von Aphiden übertragen wird, ist die Züchtung von resistenten Maissorten. Deshalb waren die ersten Ziele meiner Doktorarbeit (i) die Erfassung der genotypischen Variation für die BYDV-Resistenz in fünf spaltenden Populationen und in einem diversen Mais-Set, sowie (ii) die Beobachtung des Einflusses der BYDV-Infektion auf die Pflanzenmerkmale, Pflanzenhöhe, Kolbenhöhe und den Blühzeitpunkt. In der aktuellen Studie wurde beobachtet, dass eine BYDV-Infektion einen negativen Einfluss auf Pflanzenmerkmale von Mais hat - was die Relevanz einer Verbesserung der BYDV-Resistenz hervorhebt. Des Weiteren wurde sowohl in den verbundenen spaltenden Populationen als auch in der Assoziationskartierungspopulation eine hohe genotypische Variation für die BYDV Resistenz beobachtet. Diese stellt eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Assoziationskartierung dar. Die Evaluierung hinsichtlich der BYDV-Resistenz ist schwer in den Züchtungsprozess zu integrieren, da die Virus-Inokulation mit Blattläusen und die Bestimmung des Virusgehalts durch DAS-ELISA sehr aufwändig sind. Für die züchterische Verbesserung der BYDV-Resistenz sind molekulare Marker von gröer Bedeutung. Deshalb war ein weiteres Ziel der Arbeit (iii) in einer genomweiten Assoziationskartierung (GWAS) Genomregionen zu identifizieren, die an der BYDV-Resistenz in Mais beteiligt sind. In der GWAS wurden signifikante (α=0.01) SNPs auf Chromosom 4 und 10 für die BYDV-Resistenzmerkmale identifiziert. Die SNPs die auf Chromosom 10 für die Virusextinktion identifiziert wurden, erklären zusammen 25% der phänotypischen Varianz. Dieser Genombereich wurde schon in anderen Pflanzen als für Resistenzmechanismen zuständig beschrieben. Die Ergebnisse der aktuellen Studie lassen deshalb vermuten, dass die BYDV-Resistenz oligogen vererbt wird und, dass Gene, die in generelle Resistenzmechanismen involviert sind, auch an der BYDV-Resistenz in Mais beteiligt sind. Die GWAS hat den Vorteil, dass eine groβe Anzahl von Allelen pro Locus gleichzeitig untersucht werden können. Da in verbundenen Populationen eine höhere Rekombination stattgefunden hat, ist die Auflösung, verglichen zur klassischen quantitative trait locus (QTL) Kartierung, höher. Trotzdem können Gene, die zu einer gröen phänotypischen Variation füuhren, unentdeckt bleiben, wenn sie eine niedrige Allel Frequenz aufweisen. Durch die ausgeglichene Allelfrequenz in biparentalen Populationen hat die klassische QTL-Analyse eine höhere Power weitere QTL zu detektieren als eine GWAS. Deshalb war ein weiteres Ziel dieser Arbeit (iv) die Validierung der Genomregionen in einer QTL-Analyse mit verbundenen Populationen. Die Genomregion auf Chromosom 10, die in der GWAS identifiziert wurde, konnte in der QTL-Analyse mit verbundenen Populationen und in QTL- Analysen mit Einzel-Populationen validiert werden. Darüber hinaus kolokalisieren diese QTL mit den QTL, die in kontrollierten Gewächshausbedingungen identifiziert wurden. Auβerdem lassen die Ergebnisse vermuten, dass die Gene auch an der Ausprägung anderer Virus-Resistenzen beteiligt sind. Da diese Genomregionen 45% der phänotypischen Varianz erklären, sind sie vielversprechend für die Marker-gestützte Selektion. Die hohe genotypische Varianz, die in meiner Arbeit beobachtet wurde, stellte eine gute Gundlage für die Identifizierung von molekularen Markern dar, die mit der BYDV Resistenz assoziiert sind. Diese Marker, welche mit einer GWAS identifiziert wurden, konnten mit einer QTL Kartierung verifiziert werden und sind vielversprechend für die markergestützte Selektion auf BYDV Resistenz in der Maiszüchtung.