Mapping and identifying genes for drought tolerance in barley (Hordeum vulgare L.)

Abstract

Trockenheit ist einer der am meisten limitierenden Faktoren in der Pflanzenproduktion und beeinflusst die Nahrungsmittelproduktion weltweit. Hauptaufgabe der vorliegenden Studie war das Auffinden von Marker-Merkmals-Assoziationen (MTAs) und möglichen Kandidatengenen, verantwortlich für verschiedene morphologische, agronomische und Saatgut-Qualitätsmerkmale unter Trockenstress vor und nach der Blüte. Dazu wurde eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) unter Verwendung einer Serie von 184 Sommergerstenakzessionen (ECOSEED) durchgeführt. Das Trockenstressexperiment vor der Blüte wurde mittels einer Hoch-Durchsatz Phänotypisierung auf der automatischen Phänotypisierungsplattform LemnaTec-Scanalyzer 3D, stationiert in einem Gewächshaus, durchgeführt. Das Trockenstressexperiment nach der Blüte wurde auf den Versuchsfeldern in den Vegetationsperioden 2016 und 2017 realisiert. Die vorliegende Studie hat gezeigt, dass Trockenheit einen deutlichen Effekt auf Wachstum und Entwicklung, und schließlich auf den Ertrag von Gerste hat. Mittels GWAS Analyse wurden hoch signifikante SNPs, gekoppelt zu Stressmerkmalen, auf allen Chromosomen gefunden Es konnte eine Reihe von Kandidatengenen identifiziert werden, insbesondere Gene, die für Abwehrmechanismen oder Trockentoleranz verantwortlich sind. Die Haplotypanalyse konnte genutzt werden, um SNPs innerhalb von Kandidatengenen zu validieren und vorteilhafte Allele zu identifizieren. Damit können wichtige Regionen innerhalb des Genoms identifiziert und validiert, und somit für Züchtung und genetische Verbesserung von Pflanzen genutzt werden.

Drought is one of the most important limiting factors for crop production, affecting food security worldwide. The main objective of the present study was to identify marker trait associations (MTAs) and putative candidate genes related to different, morphological, agronomical and seed quality traits under pre- and post-anthesis drought stress by performing genome-wide association study (GWAS) using a diverse panel (EcoSeed) of 184 spring barley accessions. Pre-anthesis drought stress experiment was done based on high-throughput phenotyping using the automated phenotyping and imaging platform LemnaTec-Scanalyzer 3D in a greenhouse. Post-anthesis drought stress experiment was conducted in fields in two growing seasons 2016 and 2017, where drought stress was simulated by spraying 1% KI ten days after anthesis. Drought had impact on barley growth and development and finally the yield. GWAS analyses elucidated the genetic background of drought stress tolerance in barley revealed by a high number of MTAs on different chromosomes. Candidate genes were identified for associated traits, particularly genes involved in defense and drought tolerance. Results confirm that the SNP-gene based haplotypes could be considered as a primary screening manner to validate the SNPs within the candidate genes and to discover favorable alleles.