Quantitative trait loci analysis in spring wheat comparing two advanced backcross populations derived from an exotic wheat accession [Elektronische Ressource] / von Anne Christa Schubert

Anne Christa Schubert

Informations

• Publié par: rheinische_friedrich-wilhelms-universitat_bonn
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz
Professur für Pflanzenzüchtung
Prof. Dr. Jens Léon





Quantitative trait loci analysis in spring wheat
comparing two advanced backcross populations derived from an
exotic wheat accession



Inaugural - Dissertation
zur
Erlangung des Grades

Doktor der Agrarwissenschaften
(Dr. agr.)

der
Hohen Landwirtschaftlichen Fakultät
der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität zu Bonn







vorgelegt am 29.05.2009
von


Anne Christa Schubert

aus Bautzen



















(D98)






Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn http://hss.ulb.uni-
bonn.de/diss_online elektronisch publiziert (2010).







Erster Berichterstatter: Prof. Dr. Jens Léon
Zweiter Berichterstatter: Prof. Dr. Heinz-Wilhelm Dehne
Tag der mündlichen Prüfung: 30.10.2009





























Dankbarkeit und Weizen gedeihen nur auf gutem Boden.

(Deutsches Sprichwort) ABSTRACT

Abstract
The objective of the present study was to identify and localise favourable, exotic QTL alleles for
the improvement of 16 quantitative agronomic traits, quality parameters and disease resistances
in elite wheat cultivars. Therefore, two advanced backcross populations, T84 and D84,
in generation BC F were derived from crosses of two German spring wheat cultivars (Triso and 2 4
Devon) and one synthetic hexaploid wheat accession (Syn-84). The revealing populations,
counting 223 (T84) and 176 (D84) BC F lines, were phenotyped in field plots at four different 2 4
locations in Germany under two different nitrogen supplies (high and low) in seasons 2004 and
2005. In addition, the populations were genotyped with 94 (T84) and 106 (D84) SSR markers,
respectively. Phenotype and genotype data were merged to different QTL mapping methods with
a significance threshold of P = 0.01 including marker as fixed effect, the environment, line
nested in marker genotype, marker×environment and marker×nitrogen interaction effects as
random effects. Multi-environmental QTL detections were considered in three-way (high
N-level) and four-way (high and low N-levels) models determined through ANOVA and REML
methods in SAS programme (SAS Institute 2003). In high N-level, 105 (T84) and 78 (D84)
QTLs were detected as marker main effects and marker×environment interaction effects using
ANOVA method. Through REML method 10 (T84) and 4 (D84) QTLs as marker main effects
were identified. In high and low N-levels, 11 (T84) and 13 (D84) N-responsive QTLs and each
48 (T84 and D84) QTLs as marker main effects were ascertained using ANOVA method.
Five (T84) and 4 (D84) QTLs as marker main effects were detected using REML method.
A comparison between QTL mapping methods revealed that REML methods validated QTLs
with highest F-value computed by ANOVA methods. Moreover, no significant interaction
effects were permitted using REML methods. It might be postulated that non validated QTLs,
which have been detected only by the ANOVA analysis, were either false positive or small
QTLs that were not robust enough through the stringent REML methods. The stringent REML
methods computed with three-way and four-way models revealed six (T84) and one (D84) QTLs
associated with exotic alleles improving traits of interest in regard to breeding efforts.
Exotic alleles reduced, for example, sensitivity to powdery mildew by 34.7% at QTL
QPm.T84-7D, on chromosome arm 7DL in population T84. So far, this locus associated with
resistance to powdery mildew was not published in QTL studies. QPm.T84-7D may be
associated with a new resistance to powdery mildew conducted by Aegilops tauschii. The second
population D84 validated the new QTL QPm.T84-7D where identical exotic alleles reduced
sensitivity to powdery mildew by 27.5% (P = 0.037). In population T84, BC F lines were 2 4
selected, which carried favourable exotic QTL alleles in least one introgression. For days until
heading, plant height and thousand grain weight eight, one and four BC F lines were selected, 2 4
which significantly improved the trait performance compared to the recurrent parent. The results
of the current study prove that exotic alleles derived from synthetic hexaploid wheat can improve
quantitative traits, as agronomic traits and disease resistances, in elite wheat varieties across
multi-environments and two different genetic backgrounds. ABSTRACT (IN GERMAN)

Abstract (in German)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Bestimmung und Lokalisierung von exotischen QTL-
Allelen zur Verbesserung von insgesamt 16 quantitativen agronomischen Merkmalen,
Qualitätsparametern und Krankheitsresistenzen in Kulturweizen. Dafür wurden zwei
Rückkreuzungspopulationen, T84 und D84, in der BC F -Generation aus zwei deutschen 2 4
Sommerweizensorten (Triso und Devon) mit einer synthetischen, hexaploiden Weizenakzession
(Syn-84) erzeugt. Die daraus resultierenden Populationen, bestehend aus 223 (T84) und
176 (D84) BC F -Linien, wurden in den Jahren 2004 und 2005 in Feldversuchen an vier 2 4
verschiedenen Standorten in zwei unterschiedlichen Stickstoffdüngungsstufen (hoch und niedrig)
phänotypisch bestimmt. Zeitgleich wurden die Populationen mit 94 (T84) und 106 (D84)
SSR-Markern genotypisiert. Anschließend wurden mit den phänotypischen und genotyischen
Daten verschiedene QTL-Analysen bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 1% durchgeführt.
Die QTL-Analysen wurden in drei-faktorielle (hohe Stickstoffdüngungsstufe) und vier-
faktorielle (hohe und niedrige Stickstoffdüngungsstufe) Modelle unterteilt und jeweils mit der
ANOVA und der REML Schätzmethode in SAS (SAS Institute 2003) berechnet.
Für die hohe Stickstoffdüngungsstufe wurden insgesamt 105 (T84) und 78 (D84) QTLs als
Markerhaupteffekte und Marker×Umwelt Interaktionseffekte mit ANOVA ermittelt. Die REML
Schätzmethode ergab 10 (T84) und 4 (D84) QTLs als Markerhaupteffekte. Für die hohe und
niedrige Stickstoffstufe wurden 11 (T84) und 13 (D84) stickstoffabhängige QTLs und je
48 (T84 und D84) QTLs als Markerhaupteffekte mit ANOVA ermittelt. Die REML
Schätzmethode ergab 5 (T84) und 4 (D84) QTLs als Markerhaupteffekte. Ein Vergleich der
Schätzmethoden ergab, dass die REML Schätzungen die QTLs der ANOVA bestätigten, aber zu
robusten Ergebnissen führte, indem QTLs mit dem höchsten F-Wert in der ANOVA Methode
identifiziert wurden. Zudem wurden keine signifikanten Interaktionseffekte in der REML
Schätzung zugelassen. Vermutlich sind die nicht bestätigten QTLs, welche nur mit der ANOVA
Methode bestimmt wurden, entweder falsch-positiv oder kleine QTL Effekte, nicht robust genug
für die stringentere REML Methode. Die robusten Ergebnisse der drei- und vier-faktoriellen
Modelle resultierten in 6 (T84) und 1 (D84) QTLs, an denen exotische Allele eine Verbesserung
der Merkmale den Zuchtzielen entsprechend bewirkten. Das exotische Allel reduzierte z.B. die
Mehltauanfälligkeit um 34,7% an einem QTL, QPm.T84-7D, auf dem Chromosomarm 7DL in
der Population T84. Bisher wurde dieser Genort für Resistenz gegen Mehltau nicht in der
Literatur beschrieben. Möglicherweise ist QPm.T84-7D mit einer neuen Resistenz gegen
Mehltau aus Aegilops tauschii verbunden. Das neue QTL, QPm.T84-7D, wurde in der zweiten
Population D84 mit einer Reduktion der Mehltauanfälligkeit um 27,5% (P = 0,037) bestätigt.
Aus der Population T84 wurden BC F -Linien selektiert, die vorteilhafte, exotische QTL-Allele 2 4
an mindestens einer Introgression tragen. Für die Merkmale Blühzeitpunkt (8), Pflanzenhöhe (1)
und Tausendkorngewicht (4) wurden BC F -Linien ermittelt, deren Leistung signifikant über der 2 4
Leistung des Elters Triso lag. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass exotische Allele der
synthetischen Weizenakzession quantitative Merkmale in Kulturweizen verbessern können. INDEX OF CONTENT

Index of content
1 Review of literature .................................................................................................................. 1
1.1 Production and utilisation of wheat .................................................................................. 2
1.2 Taxonomy and morphology of wheat .............................................................................. 2
1.3 Origin of A, B and D genomes ......................................................................................... 4
1.4 Genetic diversity and resources in wheat ......................................................................... 5
1.5 Wheat breeding ................................................................................................................ 8
1.6 Nitrogen use effic