Lokalizacja rejonów QTL związanych z odpornością/tolerancją pszenżyta (xTriticosecale Wittm.) na porażenie mączniakiem prawdziwym (Blumeria graminis)

Abstract

Pszenżyto, syntetyczny mieszaniec uzyskany przez człowieka poprzez skrzyżowanie żyta i pszenicy, jest młodym gatunkiem o niestabilnym genomie, skomercjalizowanym pod koniec lat 60. XX wieku. Jest zbożem o wysokim znaczeniu gospodarczym, jednakże wraz ze wzrostem areału upraw tego zboża w Polsce jest coraz częściej infekowane przez patogen grzybowy Blumeria graminis (DC.) Speer, powodujący chorobę zwaną mączniakiem prawdziwym. Rozwój metod biologii molekularnej, a w szczególności technik bazujących na markerach molekularnych DNA, stał się narzędziem wykorzystywanym w nowoczesnej hodowli roślin do monitorowania introgresji i kumulacji pożądanych genów w materiałach hodowlanych, a same markery molekularne mogą być wykorzystane w procesie selekcji wspartej markerami molekularnymi (MAS). Głównym celem badań była lokalizacja rejonów QTL (ang. Quantitative Trait Loci) pszenżyta (xTriticosecale Wittm.) w oparciu o dane fenotypowe poziomu odporności badanych linii DH na mączniaka prawdziwego (Blumeria graminis (DC.) Speer) oraz wskazanie potencjalnych markerów alleli tej odporności. Dla dokładnej lokalizacji rejonów QTL skonstruowano wysoko wysyconą mapę genetyczną dla 168 linii DH populacji DH ‘Grenado’ x ‘Zorro’. Dodatkowo wykorzystano opisaną już mapę 89 linii DH populacji ‘Hewo’ x ‘Magnat’. Analizę rejonów QTL przeprowadzono metodą regresji liniowej (SMA) i złożonego mapowania interwałowego (CIM) wykorzystując program Windows QTLCartographer version 2.5. Obserwacje stopnia porażenia obu populacji mapujących przeprowadzono w warunkach polowych w trzech lokalizacjach należących do firmy DANKO - Choryń, Laski i Modzurów, w trzech sezonach wegetacyjnych - 2012/2013, 2013/2014 i 2014/2015. Ocenę stopnia porażenia wykonano w oparciu o 9-cio stopniową skalę, gdzie 9 oznacza roślinę całkowicie zdrową, a 1 całkowicie porażoną. Dane fenotypowe posłużyły do lokalizacji rejonów QTL związanych z odpornością / tolerancją pszenżyta na porażenie mączniakiem prawdziwym. W oparciu o genotypowanie populacji mapującej DH ‘Grenado’ x ‘Zorro’, złożonej z 168 linii, opracowano mapę genetyczną o całkowitej długości 7527,1 cM, składającą się z 1891 markerów (w tym 326 DArT, 1443 DArTseq i 122 SNP). W wyniku analizy QTL dla linii populacji DH ‘Grenado’ x ‘Zorro’ zidentyfikowano 40 rejonów QTL (11 QTL na chromosomach z grupy sprzężeń A, 15 dla grupy B i 14 dla grupy R), wyjaśniających 1,1 - 23,7% zmienności fenotypowej. Dla linii populacji DH ‘Hewo’ x ‘Magnat’ zidentyfikowano 25 rejony QTL (8 QTL na chromosomach z grupy sprzężeń A, 7 dla grupy B i 10 dla grupy R) wspólnych dla obserwacji z trzech lokalizacji i trzech sezonów wegetacyjnych, wyjaśniających 2,3 - 30,1% zmienności fenotypowej. W obrębie tych rejonów wytypowano 9 loci wspólnych dla obu populacji mapujących na chromosomach 1A, 5A, 1B, 3B, 4B, 3R i 5R, wyjaśniających 1,16 - 22,60% zmienności fenotypowej. W rejonach tych, z dużym prawdopodobieństwem wskazano obecność dotychczas opisanych i scharakteryzowanych genów odporności na mączniaka prawdziwego: Pm3a, Pm4b, Pm5, Pm6 i Pm41 pochodzących od pszenicy i Pm3 oraz Pm4 pochodzących od żyta. Dodatkowo wytypowano 57 markerów molekularnych, które po dokładnej ich weryfikacji mogą zostać wykorzystane w selekcji materiałów hodowlanych pszenżyta pod kątem odporności na porażenie mączniakiem prawdziwym.

Triticale, a synthetic hybrid obtained by a man by a crossing between rye and wheat, is a young species with unstable genome, commercialized in the late 60s. It is a cereal of high economic importance however, with the increase of cultivation this cereal in Poland its increasingly infested by a fungal pathogen Blumeria graminis (DC.) Speer caused powdery mildew disease. The development of molecular biology methods, in particular techniques based on molecular markers of DNA, has become a tool used in modern plant breeding to monitor the introgression and accumulation of desired genes in breeding materials and also molecular markers can be used in the selection process assisted by a molecular markers (MAS). The main aim of this study was to localize QTL (Quantitative Trait Loci) regions of triticale (xTriticosecale Wittm.) based on phenotypic data, associated with powdery mildew (Blumeria graminis (DC.) Speer) and indication of potential allele markers of this resistance. To localize QTL, high-density genetic map was constructed for 168 DH lines of population ‘Grenado’ x ‘Zorro’. Additionally, the previously described genetic map of 89 DH lines of population ‘Hewo’ x ‘Magnat’ has been used. QTLs for evaluated traits were identified by a single-marker analysis (SMA) and composite interval mapping (CIM) using Windows QTLCartographer version 2.5 software. Observations of the degree of infection for both mapping populations were conducted in field conditions in three localizations belonging to DANKO Plant Breeders Ltd. - Choryń, Laski and Modzurów during three growing seasons - 2012/2013, 2013/2014 and 2014/2015. The evaluation of the degree of infection was based on a 9-point scale, where 9 means a completely healthy plant and 1, completely infected. Phenotypic data were use to localize QTL regions associated with triticale resistance / tolerance to powdery mildew infection. Based on the mapping of DH ‘Grenado’ x ‘Zorro’ population genotyping, composed of 168 lines, the genetic map was developed with total length 7527,1 cM, consisting 1891 markers (including 326 DArT, 1443 DArTseq and 122 SNP). As a result, 40 QTL regions (11 QTLs on A group chromosomes, 15 on B group and 14 on R group) were identified and explained 1.1 - 23.7% of phenotypic variation for DH ‘Grenado’ x ‘Zorro’ population. Furthermore, for DH ‘Hewo’ x ‘Magnat’ population, 25 QTL regions were identified (eight QTLs on A group chromosomes, seven on B group and ten on R group) common for observations from three different locations carried out in three growing seasons which explained 2.3 - 30.1% of phenotypic variation. Among that regions, nine loci common for both mapping populations were identified on chromosomes 1A, 5A, 1B, 3B, 4B, 3R and 5R, which explained 1.16 - 22.60% of phenotypic variation. In these regions, the presence of previously described and characterized powdery mildew resistance genes: Pm3a, Pm4b, Pm5, Pm6 and Pm41 from wheat and Pm3 and Pm4 from rye were very likely indicated. Additionally, 57 molecular markers were selected and those markers can be used in triticale breeding programs to select powdery mildew resistance plants.