Mapping of new microsatellite markers and molecular identification of quantitative trait locus (QTL) for agronomically important traits in barley

Abstract

Um die Markerdichte von existierenden genetischen Karten der Gerste (Hordeum vulgare L.) zu erhöhen, wurde ein neues Set von Mikrosatellitenmarkern mit Dinukleotidmotiven aus genomischen Klonen entwickelt. Von insgesamt 254 getesteten Primerpaaren, wurden 167 Primerpaare als funktional klassifiziert, nachdem sie auf sechs Gerstensorten und drei Akzessionen von H. spontaneum getestet worden waren. Davon konnten 127 Primerpaare, welche in 133 Loci resultierten, entweder kartiert oder auf Chromosomen lokalisiert werden. Der Informationsgehalt der Marker ('polymorphism information content', kurz PIC) reichte von 0,05 bis 0,94 mit einem Durchschnitt von 0,60. Die Allelzahl per Locus variierte von 1 bis 9. Im Durchschnitt wurden 3,9 Allele pro Primerpaar beobachtet. Insgesamt 115 neue Mikrosatelltenloci wurden in die RFLP-Gerüste von zwei öffentlichen Kopplungskarten integriert. Die chromosomale Lokalisierung von 48 kartierten Loci wurde auf Weizen-Gerstenchromosomen-Additionslinien bestätigt und 18 weitere Loci, welche in den Kartierungspopulationen nicht polymorph waren, wurden auf diese Weise Chromosomen zugeordnet. Die Mikrosatelliten verteilten sich auf alle sieben Kopplungsgruppen mit signifikanten Anhäufungen in den Zentormer-nahen Regionen der Chromosomen 2H, 3H, 6H und 7H. Diese neu entwickelten Mikrosatelliten verbessern die Dichte der existierenden Gersten-Mikrosatelltenkarten und können für genetische und züchtungsrelevante Studien eingesetzt werden. Markergestützte Rückkreuzung ('Advanced backcross QTL analysis', kurz AB-QTL) ist erfolgreich zur Detektion und Übertragung von quantitativ vererbten Merkmalen (QTL) von nicht adaptiertem Pflanzenmaterial in Elite-Zuchtlinien bei verschiedenen Pflanzenarten eingesetzt worden. Mit Hilfe von neuen und zuvor publizierten Mikrosatellitenmarkern, wurden in dieser Studie QTLs für agronomisch wichtige Eigenschaften und Parameter für die Malzqualität in zwei markergestützten Rückkreuzungspopulationen von Sommergerste lokalisiert. Eine BC3-Doppelhaploidenpopulation aus 181 Linien, welche aus der Kreuzung zwischen der deutschen Sommergerstensorte 'Brenda' als rekurrente Elter und der Wildart-Akzession HS213 (Hordeum spontaneum) als Donorlinie entwickelt entwickelt worden war, wurde für Ertrag und seine Komponenten sowie für Malzparameter evaluiert. Die Population wurde mit 60 Mikrosatellitenmarkern genotypisiert und phänotypische Daten wurden an zwei Standorten in aufeinanderfolgenden Jahren erhoben. Es konnten insgesant 42 signifikante QTLs mit den Methoden der Einzelmarker-Regression und der Intervall-Kartierung gefunden werden. Die meisten positiven QTLs stammten dabei aus dem rekurrenten Elter 'Brenda'. Ein QTL, hd2.2, auf Chromosom 2HS erklärte 19,3% bzw. 22,4% der phänotypischen Varianz für Ertrag und Zeitpunkt des Ährenschiebens. Daher wurde hd.2.2 präzise als Einzelgen in ein Intervall von 6,1 cM in einer F2-Population kartiert, welche aus einer Kreuzung zwischen einer nahezu iosgenen Linie mit definierten Donorfragment an diesem Locus und der Sorte 'Brenda' entwickelt worden war. In der markergestützten Rückkreuzungspopulation wurden insgesamt 34 Linien mit einem spezifischen Donorsegment gefunden, welche als definierte Intergressionslinien betrachtet werden können. Insgesamt elf agronomische Merkmale wurden in einer BC3-Population bestehend aus 200 Linien, welche aus der Kreuzung von 'Brenda' als rekurrenten Elter und der Wildart-Akzession HS584 (Hordeum spontaneum) als Donor-Elter resultierten, charakterisiert. Siebzehn nahezu isogene Linien mit einem einzigen Donorsegment wurden nach dem Testen mit 107 polymorphen Mikrosatelliten, welche gleichmäßig im Genom verteilt waren, gefunden. Insgesamt 81 QTLs wurden durch die Kombination von genotypischen und phänotypischen Daten von zwei Standorten in drei Jahren erhalten. Die meisten positiven Effekte für das Merkmal Ertrag stammten aus dem rekurrenten Elter. Von insgesamt 13 QTLs, welche für das Merkmal Zeitpunkt das Ährenschiebens gefunden wurden, stammten sieben Allele aus der Wildart HS584, welche die Anzahl der Tage bis zum Ährenschieben reduzierten. Neun QTLs aus 'Brenda' wurden in beiden Populationen bestätigt, einschließlich des QTL hd2.2 in der Population 'Brenda'/HS213, welcher mit hd2.1 in der Kombination 'Brenda'/HS584 korrespondierte.

To enhance the marker density of existing genetic maps of barley (Hordeum vulgare L.), a new set of microsatellite markers containing dinucleotide motifs was developed from genomic clones. Out of 254 primer pairs tested, a total of 167 primer pairs were classified as functional in a panel of six barley cultivars and three H. spontaneum accessions and of those 127 primer pairs resulting in 133 loci were either mapped or located onto chromosomes. The polymorphism information content (PIC) ranged from 0.05 to 0.94 with an average of 0.60. The number of alleles per locus varied from 1 to 9. On average, 3.9 alleles per primer pair were observed. The RFLP frameworks of two previously published linkage maps were used to locate a total of 115 new microsatellite loci on at least one mapping population. The chromosomal assignment of 48 mapped loci was corroborated on a set of wheat-barley chromosome addition lines. Eighteen additional loci that were not polymorphic in the mapping populations were assigned to chromosomes by this method. The microsatellites were located on all seven linkage groups with four significant clusters in the centromeric regions of 2H, 3H, 6H and 7H. These newly developed microsatellites improve the density of existing barley microsatellite maps and can be used in genetic studies and breeding research. Advanced backcross QTL (AB-QTL) analysis has been successfully applied in detecting and transferring quantitative trait loci (QTL) from unadapted germplasm into elite breeding lines for various plant species. With new and published microsatellites, QTLs for agronomic traits and malting quality parameters were localized in two AB-populations in spring barley. A BC3 doubled haploid population consisting of 181 lines derived from a German spring barley cultivar 'Brenda' as the recurrent parent and a wild species accession HS213 (Hordeum spontaneum) as the donor line was evaluated for yield and its components, and malting traits. A set of 60 microsatellite markers was used to genotype the population and phenotypic data were collected in two locations in Germany in continuous years. Altogether 42 significant QTLs were detected by single-marker regression and interval mapping. Most positive QTLs detected originated from the recurrent parent 'Brenda'. However, a QTL, hd2.2, on chromosome 2HS from HS213 explained 19.3% and 22.4% of the phenotypic variation for yield and heading date, respectively. Consequently, the precise location of hd2.2 was mapped into an interval of 6.5cM in a F2 population consisting of 235 individuals developed from a cross between a near isogenic line containing a defined donor segment at this locus and the variety 'Brenda'. A total of 34 plants containing one single donor segment were found in the lines of the advanced backcross population, which can be regarded as defined introgression lines. Eleven agronomic traits were characterized in a BC3 population, containing 200 lines that originated from a cross of 'Brenda' as the recurrent parent and a wild species accession HS584 (Hordeum spontaneum) as donor parent. Seventeen nearly isogenic lines that contained a single donor segment were obtained by scanning with 107 polymorphic microsatellites distributed throughout the whole genome. A total of 81 QTLs were detected based on the combination of genotypes and phenotypic data gained from two locations in three years. Most positive effects for the trait yield were detected from the recurrent parent. However, for the heading date, of thirteen QTLs found in total, seven alleles from the wild species HS584 were identified to reduce the days to heading. Nine QTLs originating from 'Brenda' were confirmed in both populations, including hd2.2 detected in the Brenda/HS213 population, which corresponded to hd2.1 found in the 'Brenda'/HS584 combination.