An efficient approach for the development of locus specific primers in wheat and its application in a candidate gene based association study on frost tolerance in wheat (Triticum aestivum L.)

Abstract

Das Verständnis der genetischen Struktur von hexaploidem Weizen (Triticum aestivum L.) ist elementar für die Entwicklung nützlicher und effektiver Methoden für genetische Analysen. In unterschiedlichen Regionen verursacht Frost Ertragsverluste. Daher ist die Untersuchung der Frosttoleranz (FT) von Weizen wesentlich, um diese zu verhindern. Daher waren die Ziele dieser Studie die Entwicklung genomspezifischer Primer von FT-Kandidatengenen und deren Sequenzierung, die Identifikation von Polymorphismen und eine kandidatengenbasierte Assoziationsanalyse. Mit einer Erfolgsrate von >50% wurden 39 spezifische Primerpaare, welche 19 Kandidatengene entsprechen, entwickelt. C-REPEAT-BINDING FACTOR (CBF) (CBFA3, CBF-A5, CBF-A10, CBF-A13, CBF-A14, CBF-A15 und CBF-A18), VERNALISATION (VRN-A1 und VRN-B3) und PHOTOPERIOD (PPD-B1 und PPD-D1) gene zeigten Assoziationen im Bezug auf FT. Sechs dieser Gene zeigen Aminosäureaustausche in essentiellen Proteindomänen. Der Effekt des Aminosäureaustausches in VRN-A1 wurde in der Literatur bereits beschrieben. Unbekannt waren jedoch diese in CBF-A3, CBF-A5, VRN-B3, PPD-B1 und PPDD1.

Understanding the genetic structure of hexaploid wheat (Triticum aestivum L.) is important to develop useful and effective methods for genetic analyses. Particularly frost tolerance (FT) in wheat is essential for preventing yield losses. Therefore, the objectives of this study were development of genome specific primers of FT candidate genes for re-sequencing, polymorphism detection and candidate gene based association analysis. A set of 39 specific primer pairs corresponding to 19 candidate genes were developed with a success rate of >50%. The genes corresponding to C-REPEAT BINDING FACTORS (CBFs), i.e. CBF-A3, CBF-A5, CBF-A10, CBF-A13, CBF-A14, CBF-A15, CBF-A18, as well as the VERNALISATION RESPONSE GENES VRN-A1, VRN-B3, and the PHOTOPERIOD RESPONSE GENES PPD-B1 and PPD-D1 revealed associations to FT in 235 wheat cultivars. Six of these genes exhibit amino acid (AA) substitution polymorphisms in important protein domains. The effect on FT based on AA substitution in VRN-A1 is also described in related literature, but the AA substitutions in CBFA3, CBF-A5, VRN-B3, PPD-B1 and PPD-D1 were yet unknown.