Genotypic and phenotypic analysis of the spike row-type in barley (Hordeum vulgare L.) - kumulative Dissertation

Abstract

Durch genotypische Untersuchungen mithilfe von bekannten Ährenarchitekturgenen (‘row-type genes‘) in Kombination mit phänotypischen Untersuchungen in verschiedenen Gerstenkollektionen wurden neue Erkenntnisse über die genetische Diversität der Ährchenfertilität gewonnen. Daneben konnten durch das in dieser Studie gezeigte Haplo-/Phänotyp-Verhältnis in den getesteten Wild-, labile- und Intermedium-Kollektionen Hinweise erhalten werden, dass neben den bekannten Ährenarchitekturgenen auch andere Gene eine wesentliche Rolle bei der Ausprägung der Ärchenfertilität spielen. Die Ergebnisse zeigen Korrelationen zwischen dem genotypischen Status der vrs1 und int-c Loci und den phänotypischen Ausprägungen in den verschiedenen Gerstenkollektionen, was neue Erkenntnisse über deren Rolle in der Fertilitätsausprägung lieferte. Neben diesen Loci konnte der lab Lokus auf dem Gerstenchromosom 5H (langer Arm) lokalisiert werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das lab-Gen die Blütchenbildung und -fertilität während der Ährenentwicklung kontrolliert. Ein neues Resultat dieser Studie zeigt, dass eine Gruppe von Wild-Akzessionen (ssp. Spontaneum) genotypisch dem Intermedium Haplotyp an den vrs1 und int-c Loci entspricht und dabei auch den entsprechenden Phänotyp mit vergrößerten seitlichen Ährchen, aber ohne zusätzliche Samenbildung zeigt. Diese Gruppe wird als ssp. spontaneum (Intermedium)“ bezeichnet. In den Intermedium-Akzessionen konnten aber auch Gruppen gefunden werden, die genotypisch spp. spontaneum (Intermedium)“ entsprechen, aber fertile Seitenährchen mit Samenbildung enthalten, woraus hervorgeht, dass zumindest in dieser Kollektion auch andere, unbekannte Gene eine Rolle in der Ährchenfertilität spielen. Auch für die Domestikation von Gerste wurde eine neue Hypothese aus der Re-sequenzierung der Vrs1, Vrs4 und Int-c Gene in Wild- und Kulturakzessionen abgeleitet. Dieses Domestikationsmodell könnte durch genomweite Untersuchungen (GWAS) verifiziert werden. Dieses würde neuartige Einblicke in die Evolution und Domestikationsprozesse der Gerste liefern.

Analyzing the genotypic status of the known row-type loci in different barley collections and combining this data with the phenotypic status allowed us to efficiently explore its genetic diversity of spikelet fertility. The approach applied in this thesis involved an extensive study of the haplotype/phenotype relations in a large number of wild, labile and Intermedium barleys. The overall picture that emerged suggested that besides the known row-type genes, there must be additional genes involved in the control of spikelet fertility. From the results a clear idea arose about the genotypic status of the Vrs1 and Int-c in labile, Intermedium and wild barley collections and the role of these loci in spikelet fertility. Special attention was paid to labile barley, which is considered an intermediate form between two- and six-rowed barley. Investigating labile accessions we managed to map the lab locus on barley chromosome 5HL. Subsequent studies confirmed that lab is controlling floret development and fertility during spike developmental stages. Another remarkable observation was that a group of wild barley ssp. spontaneum genotypically carried the Intermedium haplotype at vrs1 and Int-c loci, yet displayed an Intermedium phenotype with enlarged lateral spikelets but not setting any seeds. These latter plants were named ssp. spontaneum (Intermedium). It was subsequently discovered that the Intermedium barley collection carried the same genotype/haplotype as the ssp. spontaneum “Intermedium” group yet in contrast to the latter showed lateral spikelet fertility, including setting of (small) seeds. This suggests that other additional genes are involved in spikelet fertility in this collection. In conclusion, a new model is introduced on the relation between wild and cultivated barley during domestication based on the re-sequencing of the Vrs1, Vrs4 and Int-c genes. I believe that whole genome studies in such different barley collections will confirm the proposed domestication model presented in this study and that we will thus be able to better understand barley domestication and evolution process.