Understanding terminal drought tolerance in barley using AB-QTL analysis and an integrated omics approach

Abstract

Trockenheit ist eine der Hauptbeschränkungen der Produktivität bei Gerste und beeinträchtigt Samenertrag und –qualität. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Mechanismen der terminalen Trockentoleranz (in der letzten Phase der Pflanzenentwicklung) unter Verwendung zweier komplementärer Ansätze zu verstehen. Zunächst wurde ein AB-QTL-Ansatz (Advanced Backcross-Quantitative Trait Locus) angewendet, um eingebrachte Regionen einer Wildgerste zu identifizieren, die die terminale Trockentoleranz beeinflussen. Dazu wurde eine Population von Introgressionslinien (BC3-DH) verwendet, die aus der Kreuzung zwischen dem Gerstenkultivar Brenda und einer Gersten-Wildform (Hs 584) entwickelt wurden. Zweitens wurde eine integrierter omics-Ansatz (Transkriptom und Metabolite) verwendet, um die Wichtigkeit von „Stay-green-“ / Seneszenzmechanismen in Gerste unter terminaler Trockenheit zu verstehen. In diesem Ansatz wurden Elite-Züchtungslinien untersucht. Trockenstress wurde entweder durch Behandlung mit Kaliumiodid oder durch Bewässerungsstopp 10 Tage nach der Blüte erreicht. Die signifikante Beteiligung verschiedener QTLs für Ertrag und Samenqualität durch Hs584 illustrieren das Potenzial der Wildgerste in der Züchtung, um verbesserte Sorten bei optimalen sowie Trockenstress-Bedingungen zu erhalten. Bezüglich des zweiten Ansatzes bekräftigt diese Arbeit, dass die seneszenz-induzierte Remobilisierung von Stängelreservestoffen einen wichtigen Teil während der Samenfüllung bei Trockenstress darstellt. Der Genotyp LP104, der durch einen seneszierenden Phäntotyp charakterisiert ist, zeigte eine bessere Leistung in Bezug auf Samenertrag und –qualität bei Trockenstress verglichen mit dem „stay-green“ Gentotyp LP106. Trotz eines höheren Gehaltes an wasserlöslichen Zuckern im Stängel deutet die schlechtere Leistung bezüglich der Stängelremobilisierung des „stay-green“ Gentotyps darauf hin, dass das Stängelgewicht/Anteil der wasserlöslichen Kohlenhydrate zur Blüte allein nicht als sekundärer Parameter für das Screening nach Trockentoleranz in Gerste herangezogen werden kann. Die schlechtere Leistung eines weiteren seneszierenden Genotyps, LP110, verglichen mit LP104 hinsichtlich der Stickstoffremobilisierung deutet zudem auf die Tatsache hin, dass Seneszenz allein nicht ausreichend für die Remobilisierung von gespeicherten Reserven ist. Dieser Aspekt muss noch detaillierter untersucht werden.

Terminal drought is one of the major constraints for barley production that affects both seed yield and quality. The major objective of this investigation was to understand the mechanism of terminal drought tolerance for seed yield and quality using two complementary approaches. Firstly, an advanced backcross quantitative trait locus (QTL) analysis was carried out to identify exotic regions influencing terminal drought tolerance using a BC3-DH population developed between the cultivated parent Brenda and the wild accession, HS584. Secondly, an integrated omics (transcripts and metabolites) together with various physiological parameters were used o characterize the significance of staygreen/senescence mechanisms under terminal drought using contrasting elite breeding lines exhibiting staygreen and senescence phenotypes. Terminal drought was imposed by either spraying with potassium iodide or withholding water at 10 days after flowering. Significant contribution of various QTL for yield and seed quality parameters by HS584 indicated that wild barley is a potential source of terminal drought tolerance in various breeding programmes. With respect to second approach, our study reinforces that senescence induced remobilization of stem reserves is an important component of seed filling under terminal drought. LP104, characterized by senescence phenotype performed better compared to staygreen in terms of both seed yield and quality under terminal drought. In spite of higher stem water soluble sugars (WSC) in the staygreen genotype, its poor performance with respect to stem remobilization compared to senescing (LP104) indicates that stem weight/WSC at anthesis alone cannot be considered as a secondary parameter to screen for terminal drought tolerance in barley. The poor performance of one of the senescing genotypes, LP110 compared to LP104 with respect to leaf nitrogen remobilization also hints to the fact that senescence alone may not be sufficient for remobilization of stored reserves, which is to be explored in great detail.