1,720,986 research outputs found
DNA polymorphisms and haplotype patterns of transcription factors involved in barley endosperm development are associated with key agronomic traits
Full text linkAbstract Background Association mapping is receiving considerable attention in plant genetics for its potential to fine map quantitative trait loci (QTL), validate candidate genes, and identify alleles of interest. In the present study association mapping in barley (Hordeum vulgare L.) is investigated by associating DNA polymorphisms with variation in grain quality traits, plant height, and flowering time to gain further understanding of gene functions involved in the control of these traits. We focused on the four loci BLZ1, BLZ2, BPBF and HvGAMYB that play a role in the regulation of B-hordein expression, the major fraction of the barley storage protein. The association was tested in a collection of 224 spring barley accessions using a two-stage mixed model approach. Results Within the sequenced fragments of four candidate genes we observed different levels of nucleotide diversity. The effect of selection on the candidate genes was tested by Tajima's D which revealed significant values for BLZ1, BLZ2, and BPBF in the subset of two-rowed barleys. Pair-wise LD estimates between the detected SNPs within each candidate gene revealed different intra-genic linkage patterns. On the basis of a more extensive examination of genomic regions surrounding the four candidate genes we found a sharp decrease of LD (r2 Significant marker-trait associations between SNP sites within BLZ1 and flowering time, BPBF and crude protein content and BPBF and starch content were detected. Most haplotypes occurred at frequencies BPBF was associated to crude protein content and starch content, BLZ2 showed association to thousand-grain weight and BLZ1 was found to be associated with flowering time and plant height. Conclusions Differences in nucleotide diversity and LD pattern within the candidate genes BLZ1, BLZ2, BPBF, and HvGAMYB reflect the impact of selection on the nucleotide sequence of the four candidate loci. Despite significant associations, the analysed candidate genes only explained a minor part of the total genetic variation although they are known to be important factors influencing the expression of seed quality traits. Therefore, we assume that grain quality as well as plant height and flowering time are influenced by many factors each contributing a small part to the expression of the phenotype. A genome-wide association analysis could provide a more comprehensive picture of loci involved in the regulation of grain quality, thousand grain weight and the other agronomic traits that were analyzed in this study. However, despite available high-throughput genotyping arrays the marker density along the barely genome is still insufficient to cover all associations in a whole genome scan. Therefore, the candidate gene-based approach will further play an important role in barley association studies.</p
Genetic Correlations of Quality Traits of Silage Maize (Zea mays L.)
Full text linkIn central Europe silage maize (Zea mays L.) is a major source of cattle feed. The quality or the feeding value of a silage maize variety mainly depends on its digestibility and energy content. The establishing of the near-infrared-reflectance-spectroscopy- (NIRS) technique allows the analysis of more than one quality determining trait simultaneously in an easy and short way.
In this study one objective was the influence of stover quality on whole plant quality. In hybrid breeding indirect selection on the basis of inbred line performance has a great advantage because the number of testcrosses can be reduced. Therefore it was tested, if the stover quality of the testcrosses could be predicted on the line per se value. Besides the correlation between agronomic and quality traits was analysed.
In the years 1999 and 2000 the evaluation of the stover of the lines and testcrosses and the whole plant of the testcrosses was conducted at four climatically diverse sites in Germany. Three data sets with flint-lines and dent-lines, each proved with one tester-line, were evaluated for the correlation between inbred line and testcross performance. The test for combining ability was performed with three smaller data sets also consisting of flint-lines and dent-lines with two tester-lines per data set.
The coefficients of heritability were high for the agronomic and quality traits in the data sets of the inbred lines. In the data sets of the testcrosses the variation attributed to the genotypic variance was smaller, genotype × location-interactions were of lower importance. In the data sets, each with two tester-lines it was obvious that for quality traits of stover and whole plant the interaction between line and tester was mostly not significant. The genotypic correlation between inbred line and testcross performance was highly significant for almost all quality traits of the stover, but the correlation coefficients were mostly only moderate. Only the expected success of an indirect selection on line per se- value for cell-wall digestibility of the stover exceeded that of the direct selection on testcross performance in all data sets. However, a selection of extremes on line per se value should be possible for stover digestibility. The genotypic correlations between comparable traits in stover and whole plant were mainly low. The cell-wall digestibility was the only trait which was independent of dry matter content. For evaluation of the further quality traits attention has to be paid to the maturity stage, to prevent a maturity-based bias of the results. In the testcrosses stover digestibility increased and whole plant digestibility was reduced with an increase in whole plant dry matter yield. But the genotypic correlations were only moderate and a simultaneous selection to improve quality and yield seems to be possible.In Mitteleuropa hat Silomais (Zea mays L.) eine sehr große Anbaubedeutung als ertrag- und energiereiches Grundfutter für die Milchviehhaltung und Bullenmast. Die Qualität bzw. der Futterwert einer Silomaishybride wird vor allem durch die Verdaulichkeit und den Energiegehalt bestimmt. Durch die Einführung der Nahinfrarot-Reflexions-Spektroskopie (NIRS) ist die Bestimmung von Qualitätsmerkmalen inzwischen Routine in der Silomaiszüchtung und -sortenbewertung.
Die Qualität der Ganzpflanze wird durch den Kolbenanteil, aber auch durch die Verdaulichkeit der Restpflanze und hier besonders der Zellwand beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung der Restpflanzen- für die Ganzpflanzenqualität untersucht. In der Hybridzüchtung bedeutet die indirekte Selektion anhand der Linieneigenleistung einen großen Vorteil, da die Anzahl an Testkreuzungen eingeschränkt werden kann. Es wurde daher überprüft, inwieweit sich die Restpflanzenqualität von Testkreuzungen anhand der Linieneigenleistung vorhersagen lässt. Zudem interessierten die Beziehungen zwischen dem Ertrag sowie der Abreife und den qualitätsbestimmenden Merkmalen.
In den Jahren 1999 und 2000 wurden an vier klimatisch unterschiedlichen Standorten in Deutschland Linieneigenleistungs- und Testkreuzungsprüfungen durchgeführt. Die Genotypen stellten aktuelles westeuropäisches Zuchtmaterial dar, das nicht auf Qualität vorselektiert worden war. Die Auswertung erfolgte an drei Datensätzen mit Flint- bzw. Dent-Linien, die jeweils mit einem Tester geprüft wurden. Die Prüfung auf Kombinationseignung wurde an drei kleineren Datensätzen mit Flint- sowie Dent-Linien mit jeweils zwei Testern durchgeführt. Es wurde die Qualität (Verdaulichkeit, Zellwandverdaulichkeit, Inhaltsstoffe) der Linien- und Testkreuzungsrestpflanze sowie die der Testkreuzungsganzpflanze mit NIRS bestimmt.
Die Heritabilitätskoeffizienten waren für alle Merkmale der Linienrestpflanze hoch bis sehr hoch. In den Testkreuzungsprüfungen war die Bedeutung der genotypischen Varianz geringer. Vor allem für die Ganzpflanzenqualität war die Fehlervarianz sehr bedeutsam, Genotyp × Ort-Wechselwirkungen spielten eine geringere Rolle. Bei der Mehrzahl der geprüften Qualitätsmerkmale trat keine signifikante Varianz der Linie × Tester-Wechselwirkung auf. Es wurden somit Ergebnisse aus der Literatur bestätigt, wonach vor allem die Allgemeine Kombinationsfähigkeit für Qualitätsmerkmale von Silomais relevant ist. Für nahezu alle Qualitätsmerkmale der Restpflanze wurden hoch signifikante genotypische Korrelationen zwischen Linieneigen- und Testkreuzungsleistung ermittelt. Die Korrelationskoeffizienten waren jedoch häufig nur moderat. Innerhalb der ausgewerteten Datensätze war nur für das Merkmal Zellwandverdaulichkeit der Restpflanze der erwartete Erfolg der indirekten Selektion an den Linien größer als der der direkten Selektion an den Testkreuzungen. Es sollte jedoch auch für die Restpflanzenverdaulichkeit eine effektive Vorselektion anhand der Linien möglich sein, das Verhältnis lag nahe eins. Zwischen der Rest- und Ganzpflanze wurde zumeist nur eine geringe Übereinstimmung in den sich entsprechenden Qualitätsmerkmalen ermittelt. Es ist daher zur Bewertung fast aller Qualitätseigenschaften der Restpflanze eine getrennte Ernte erforderlich. Die Zellwandverdaulichkeit war das einzige Merkmal, das unabhängig vom genetischen Material wenig von der Abreife beeinflusst war. Die Bestimmung der übrigen futterwertrelevanten Parameter muss unter Berücksichtigung des TS-Gehaltes erfolgen, um Fehler in der Bewertung aufgrund von Reifeeffekten auszuschließen. Bei einem höheren Ganzpflanzenertrag bzw. einem geringeren Trockenkolbenanteil stieg in allen Datensätzen die Restpflanzenverdaulichkeit tendenziell an und die Ganzpflanzenverdaulichkeit nahm ab. Allerdings waren die genotypischen Korrelationen zwischen Restpflanzenverdaulichkeit und Kolbenanteil bzw. Ganzpflanzenverdaulichkeit und -ertrag nicht so eng, dass sie eine gleichzeitige Verbesserung von Qualität und Ertrag wesentlich erschweren würde
Verknüpfung von Genomforschung und genetischer Diversität: Assoziation zwischen Sequenzpolymorphismus und Merkmalsvariation in einer Sommergerstenkollektion
No full textAssociation analysis has become common praxis in plant genetics for high-resolution mapping of quantitative trait loci (QTL), validating candidate genes, and identifying important alleles for crop improvement. In the present study the feasibility of association mapping in barley is investigated by associating DNA polymorphisms in selected candidate genes with variation in grain quality traits, plant height, and flowering time to gain further understanding of gene functions involved in the control of these traits. (1) As a starting point a worldwide collection of spring barley (Hordeum vulgare L.) accessions has been established to serve as an association platform for the present and possible further studies. This collection of 224 accessions, sampled from the IPK genebank, consists of 109 European, 45 West Asian and North African, 40 East Asian and 30 American entries. Forty-five EST derived polymorphic SSRs were used to determine the genetic structure. The markers were equally distributed over all seven chromosomes. Phenotypic data were assessed in field experiments performed at three locations in 2004 and 2005 in Germany. (2) Seven candidate genes were considered. Fragments of these genes were amplified and sequenced in the established collection. Single nucleotide polymorphisms (SNPs), haplotype variants, and linkage disequilibrium (LD) were investigated. (3) One gene was additionally analysed in 42 bread wheat (Triticum aestivum L.) accessions in order to compare barley and wheat for nucleotide diversity and LD. (4) Association analysis between SNPs and haplotype variants of the selected candidate genes and the phenotypic variation in thousand-grain weight, crude protein content, starch content, plant height, and flowering time was used to identify candidate genes influencing the variation of these traits in spring barley. A mixed model association-mapping method was employed for this purpose. In the established collection, significant genotypic variation was observed for all traits under study. Genotype×environment interaction variances were much smaller than the genotypic variances and heritability coefficients exceeded 0.9. Statistical analyses of population stratification revealed two major subgroups, mainly comprising two-rowed and six-rowed accessions, respectively. Within the sequenced fragments (13kb) of the seven candidate genes, 216 polymorphic sites and 93 haplotypes were detected demonstrating a moderate to high level of nucleotide and haplotype diversity in the germplasm collection. Most haplotypes (74.2%) occurred at a low frequency (95%) in the coding sequences, the distribution of polymorphisms was also similar in the two species, and both map to a syntenic position on chromosome 3. However, the genes were different in both collections with respect to LD and Tajima?s D statistic. In the barley collection only a moderate level of LD was observed whereas in wheat, LD was absolute between polymorphic sites located in the first intron while it decayed by distance between the former sites and those located downstream the first intron. Differences in Tajima?s D values indicate a lower selection pressure on the gene in barley than in wheat. In conclusion, the established association platform represents an excellent resource for marker-trait association studies. The germplasm collection displays a wide range of genotypic and phenotypic diversity providing phenotypic data for economically important traits and comprehensive information about the nucleotide and haplotype polymorphism of seven candidate genes. Association results demonstrate that the candidate gene-based approach of association mapping is an appropriate tool for characterising gene loci that have a significant impact on plant development and grain quality in spring barley.Die Assoziationsanalyse ist in der Pflanzengenetik eine aktuelle Methode zur hochauflösenden Kartierung quantitativer Merkmale (?quantitative trait loci?, QTL), Validierung von Kandidatengenen und Identifizierung merkmalsrelevanter Allele für die Züchtung. In der vorliegenden Arbeit soll durch die Verknüpfung von Sequenzpolymorphismus in ausgewählten Kandidatengenen und der Variation in den Merkmalen Kornqualität, Pflanzenhöhe und Blühzeitpunkt die Eignung der Assoziationskartierung zur Ermittlung von funktionalen und diagnostischen Markern in Genen, die die Ausprägung dieser Merkmale beeinflussen, geprüft werden. (1) Für diese und mögliche weitere Assoziationsstudien wurde im Rahmen der Arbeit eine Kollektion ausgewählter Sommergerstenakzessionen (Hordeum vulgare L.) der Gaterslebener Genbank zusammengestellt. Die Kollektion umfasst 224 Akzessionen, von denen 109 aus Europa, 45 aus Westasien und Nordafrika, 40 aus Ostasien und 30 aus Amerika stammen. Ein Set von 45 EST(?expressed sequence tag?)-abgeleiteten SSRs wurde zur Bestimmung der genetischen Struktur der Kollektion herangezogen. Die phänotypischen Daten beruhen auf Feldversuchen, die in den Jahren 2004 und 2005 an drei Standorten in Deutschland durchgeführt wurden. (2) Sieben Kandidatengene wurden ausgewählt. Fragmente dieser Kandidatengene wurden amplifiziert und innerhalb der etablierten Kollektion sequenziert. Nukleotiddiversität und Linkage Disequilibrium (LD) wurden untersucht. (3) Ein Gen wurde zusätzlich in einer Kollektion von 42 Brotweizenakzessionen (Triticum aestivum L.) hinsichtlich Nukleotiddiversität und LD untersucht. (4) Die Assoziation zwischen den Merkmalen Rohproteingehalt, Stärkegehalt, Tausendkorngewicht, Blühzeitpunkt und Pflanzenhöhe und Haplotypen bzw. Einzelnukleotidaustauschen (?single nucleotide polymorphisms?, SNPs) der sieben untersuchten Kandidatengene wurde in der oben beschriebenen Kollektion unter Verwendung eines gemischten Modells getestet. In der etablierten Kollektion konnte eine signifikante genotypische Variation für alle untersuchten Merkmale nachgewiesen werden. Die Varianz der Genotyp×Umwelt Interaktion war wesentlich geringer im Vergleich zur genotypischen Varianz, und die Heritabilitätskoeffizienten lagen über 0,9. Statistische Analysen zur Ermittlung der Populationsstruktur ergaben zwei Untergruppen, welche die Akzessionen im Wesentlichen in zweizeilige und sechszeilige Ährentypen unterteilten. Innerhalb der sequenzierten Fragmente (13kb) der sieben Kandidatengene konnten in der Kollektion 216 SNP-Marker und 93 Haplotypen detektiert werden. Die Mehrzahl der Haplotypen (74,2%) war jedoch nur mit einer geringen Frequenz (95%) innerhalb der kodierenden Sequenz, ergab eine syntenische Kartenpositionen auf Chromosom 3 und die Verteilung der Polymorphismen war in beiden Kollektionen ähnlich. Im Hinblick auf das LD und Tajima?s D verhielten sich beide Kollektionen an diesem Locus jedoch unterschiedlich. In der Gerstenkollektion wurde ein mittleres LD beobachtet. Bei Weizen trat zwischen den im ersten Intron lokalisierten Polymorphismen absolutes LD auf, während es zwischen den strangabwärts gelegenen Polymorphismen mit zunehmender Distanz stark zurückging. Diese Unterschiede sind vermutlich auf den, im Vergleich zum orthologen Weizengen, geringeren Selektionsdruck im Gerstengen zurückzuführen. Mit der beschriebenen Kollektion wurde eine Ressource geschaffen, die sich hervorragend als Plattform zur Assoziationskartierung bei Sommergerste eignet. Die phänotypischen und genotypischen Daten der Kollektion repräsentieren ein breites Diversitätsspektrum. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Kandidatengen-basierte Assoziationskartierung eine effektive Methode zur Identifizierung von Genen darstellt, die an der Ausprägung quantitativer Merkmale wie Blühzeitpunkt, Pflanzenhöhe und Kornqualität beteiligt sind
Genetic and Physiological Factors as well as their Interactions Affecting Trichothecene Production in Rye, Triticale, and Wheat Inoculated with Fusarium culmorum (W. G. Sm.) Sacc.
No full textFusarium culmorum causes specific hazards of cereal quality by the producion of trichothecenes. Prophylaxis by plant breeding can be highly effective. The aim of this study was to investigate the accumulation of trichothecenes in cereals with regard to host and fungal genotype, to physiological factors and the resulting interactions.
To determine the effects of 6 environments (E), 2 inoculation dates (ID), 2 fungal isolates (I), and 5 conidia concentrations (C) and their interactions, field trials with up to 12 rye, 6 triticale, and 8 wheat genotypes (G) were conducted in 1995-1997. Kinetics of trichothecene in the heads were described with 6 harvest dates (H) in 2 host genotypes each. In a growth chamber, 2 levels of temperature (T) and 2 of relative humidity (R) were investigated by using 2 host genotypes each.
Average deoxynivalenol (DON) accumulation of rye, triticale, and wheat was 41, 46, and 82 mg kg-1, respectively. Genotypes differed significantly in rye and wheat. In all cereal species, GxE interactions were important. In wheat, DON content was highly correlated to all resistance traits, whereas in rye only a tight correlation existed to the relative specific grain weight.
In triticale and wheat, inoculation at full anthesis resulted in higher DON contents than inoculation at heading. In rye, no effect of inoculation date was found. In contrast, GxID interaction was significant in rye.
The nivalenol (NIV) producing isolate led to lower trichothecene contents than the DON producing isolate. This effect was found to be significant only in rye and triticale. Significant GxI interactions occurred in wheat only.
Even one week after inoculation, considerable DON concentrations could be obtained in harvested heads, especially in wheat. Maximum DON contents were observed between 3 and 6 weeks after inoculation (in wheat: partially above 300 mg kg-1). NIV contents were always lower than DON contents. Until full ripening, DON contents slightly decreased, whereas NIV contents increased continuously. HxE and HxI interactions were most important. Trichothecene content in chaff and spindles was 2-4 fold higher than in the respective kernels at 6 and 8 weeks after inoculation.
With higher conidia concentrations, increasing contents of DON+3-Acetyl-DON were measured. GxC interactions were highly significant. Highest heritabilities were found in the upper concentration levels.
When the relative humidity was high, trichothecene concentrations of kernels were superior. With the temperature, an inverse effect was obtained. It seems that GxT interaction contributed most to GxE in rye and wheat, in triticale also the GxR interaction.
In conclusion, assisting resistance traits may replace an expensive quantification of trichothecenes in early generations. In advanced generations, tests should be conducted in several environments with high conidia concentrations, and a toxin analysis should be carried out directly.Eine besondere Gefahr für die Getreidequalität durch Fusarium culmorum besteht in der Bildung von Trichothecenen. Die Prophylaxe durch pflanzenzüchterische Maßnahmen kann in hohem Maße effektiv sein. Ziel dieser Arbeit war es, die durch Fusarium culmorum verursachten Trichothecengehalte bei Getreide in Abhängigkeit von Wirts- und Erregergenotyp, von physiologischen Faktoren sowie deren Interaktionen zu untersuchen.
In Feldversuchen mit bis zu 12 Roggen-, 6 Triticale- und 8 Weizen-Genotypen (G) wurden 1995-1997 die Einflüsse von 6 Umwelten (U), 2 Inokulationsterminen (IT), 2 Pilzisolaten (I) und 5 Konidiendichten (K) und ihre Interaktionen untersucht. Bei je 2 Wirtsgenotypen mit 6 Ernteterminen (E) wurde die Trichothecen-Kinetik in den Ähren nachgezeichnet. Bei je 2 Wirtsgenotypen wurde der Effekt von 2 Temperatur-(T) und 2 Luftfeuchtigkeitsstufen (L) in der Klimakammer untersucht.
Die Deoxynivalenol-(DON-)Akkumulation betrug im Mittel bei Roggen, Triticale und Weizen 41, 46 bzw 82 mg kg-1. Die genotypischen Effekte waren bei Roggen und Weizen signifikant. Bei allen Getreidearten ergaben sich bedeutende GxU-Interaktionen. Der DON-Gehalt korrelierte bei Weizen mit allen Resistenz-merkmalen, bei Roggen nur mit der Relativen Spezifischen Kornmasse.
Die Inokulation zur Vollblüte bewirkte bei Triticale und Weizen höhere DON-Gehalte als die Inokulation zum Ährenschieben. Bei Roggen war kein Effekt des Inokulationstermins nachweisbar, dafür war die GxIT-Interaktion signifikant.
Das Nivalenol-(NIV-)bildende Isolat führte zu geringeren Trichothecengehalten als das DON-bildende. Dieser Effekt war nur bei Roggen und Triticale signifikant; bei Weizen trat dagegen eine signifikante GxI-Interaktion auf.
Bereits eine Woche nach der Inokulation konnten zum Teil erhebliche DON-Konzentrationen in den geernteten Ähren nachgewiesen werden, insbesondere bei Weizen. 3 bis 6 Wochen nach der Inokulation wurden maximale DON-Gehalte erreicht (bei Weizen bis über 300 mg kg-1). Die NIV-Gehalte lagen stets unterhalb der DON-Gehalte. Zur Reife hin sanken die DON-Gehalte etwas ab, die NIV-Gehalte nahmen jedoch weiter zu. Am bedeutendsten waren die ExU- sowie die ExI-Interaktionen. Der Trichothecengehalt in der Spreu, bestimmt zu den letzten zwei Terminen, war zwei- bis viermal höher als in den Körnern.
Mit zunehmender Konidiendichte wurden ansteigende Gehalte an DON plus 3-Acetyl-DON bestimmt. Es ergaben sich hoch signifikante GxK-Interaktionen. Die höchsten Heritabilitäten lagen bei den hohen Konidiendichten vor.
Die hohe Luftfeuchtigkeit bedingte höhere Trichothecengehalte im Korn; beim Faktor Temperatur war es umgekehrt. Bei Roggen und Weizen scheint die GxT-Interaktion zu den hohen GxU-Interaktionen beizutragen, bei Triticale zusätzlich die GxL-Interaktion.
In frühen Züchtungsstadien können geeignete Hilfsmerkmale eine teure Trichothecen-bestimmung bei der Selektion ersetzen. In fortgeschrittenen Generationen sollten jedoch Prüfungen in mehreren Umwelten bei Inokulationen mit hohen Konidiendichten und direkter Toxinanalyse erfolgen
Molecular marker based inheritance analysis on the restoration of pollen fertility in winter rye (Secale cereale L.)
No full textIn rye (Secale cereale L.) as in a number of other crossfertilized crops, hybrid breeding allows a targeted use of heterosis for improving yield and yield
stability. The creation of hybrids in outbred rye requires an efficient system of pollination control because of the monoclinous inflorescence. In commercial
seed production, mostly the Pampa (P-) Cytoplasma is used, which induces cytoplasmatic male sterility (CMS). Restoration of pollen fertility is achieved
by means of pollinator lines carrying nuclear dominant restorer genes. To obtain information about the number, localization, and efficacy of the restorer genes,
molecular marker based inheritance analysis in rye was performed. The results were compared to already localized restorer sources in rye and other species.
Ninety-two marker loci were mapped by RFLP technique, which covered a genome-length of 845 cM. QTL (quantitative trait loci) analysis revealed a major
gene on the short arm of chromosome 1R. Two RFLP markers, psr596 and bcd1124, were linked with a distance of about 0.3 cM to this major gene. Moreover, two
modifying minor genes on chromosome arms 3RL and 5RL were detected. One of these minor genes showed epistatic interaction with the above mentioned major gene.Die Hybridzüchtung ermöglicht beim Roggen (Secale cereale L.) und bei einer Reihe von anderen Nutzpflanzen durch die systematische Nutzung von
Heterosiseffekten eine Steigerung und Stabilisierung der Ertragsleistung. Die Erstellung von Hybriden erfordert beim fremdbefruchtenden Roggen aufgrund
der zwittrigen Blüte ein effizientes System zur Befruchtungslenkung. Für die Hybridsaatguterzeugung wird dafür das Pampa-(P-)Cytoplasma eingesetzt, das eine
cytoplasmatisch männliche Sterilität (CMS) induziert. Die Restauration der Pollenfertilität erfolgt durch die Kreuzung mit einem Pollenelter, welcher im
Kern lokalisierte, dominante Restorergene trägt. Um Aufschluß über die Anzahl, Lokalisation und Wirkungsweise der Restorergene zu erhalten und um einen
Vergleich verschiedener, bereits lokalisierter Restorerquellen zu ermöglichen, wurden markergestützte Vererbungsanalysen durchgeführt. In der Studie wurden
mit Hilfe der RFLP-Technik insgesamt 92 Markerloci kartiert, die eine Genomlänge von 845 cM abdeckten. Die Analyse der QTL (quantitative trait loci)
ergab ein Majorgen auf Chromosomenarm 1RS. Die beiden am engsten gekoppelten RFLP-Marker psr596 und bcd1124 wiesen einen Abstand von 0,3 cM zum Majorgen auf.
Daneben konnte der Einfluß von zwei modifizierenden Minorgenen auf den Chromosomenarmen 3RL und 5RL bestätigt werden, von denen das Minorgen auf
Chromosomenarm 3RL epistatische Interaktionen mit dem Majorgen auf Chromosomenarm 1RS zeigte
Development, characterisation and mapping of microsatellite-markers in sugar beet
No full textSimple sequence repeats (SSRs) or microsatellites were isolated from a sugarbeet (Beta vulgaris L.) genomic phage library. The size-fractionated library was screened for the occurrence of the motifes (GA)n, (GT)n, (TGA)n, (AGA)n and (CCG)n.
The motifes (GA)n and (GT)n were found to occur most frequently in the sugarbeet genome (every 225 kb). In contrast, the trimer motifes were half as frequent (every 527 kb).
A total of 217 microsatellite sequences were found in the sequenced clones. Most of the repeats were imperfect and/or compound.
Sequence comparison revealed that 23% of the clones wich containing the (GT)n motif are variants of a previously described satellite DNA (SCHMIDT et al. 1991).
Of 102 primer pairs tested on sugarbeet DNA, 71 gave a single product in the expected size. On 23 sugarbeet samples 64 of the 71 SSR-markers reveald length polymorphisms.
The number of detected alleles per marker ranged from 2 to 13 (average 4,9) and the PIC-values ranged from 0,17 to 0,86 (average 0,58).
A cluster analysis of the 23 samples confirms the pedigree data. The developed SSR markers were compared with RFLP and AFLP markers.
Therefore nine sugarbeet lines, each with five single plants per line, were analysed. The SSR analyse shows the lowest similarity between the nine lines.
The similarity inside the lines revealed no differences between the marker assays. Thirtythree SSR markers were genetically mapped into the RFLP framework maps of 2 F2-populations.
The markers are randomly distributed over eight linkage groups of sugar beet.Als Mikrosatelliten (MS), oder auch SSRs, werden DNA-Abschnitte bezeichnet, die sich aus einer mehrfachen Abfolge von kurzen DNA Sequenzen zusammensetzen.
Die MS zeichnen sich dadurch aus, daß sie durch eine unterschiedliche Anzahl an Wiederholungseinheiten in der Länge variieren.
Die aus MS entwickelten Marker zeigen einen hohen Polymorphiegrad, sind multiallelisch, kodominant und in großer Anzahl und mit gleichmäßiger Verteilung in eukaryotischen Genomen vorhanden.
Das Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen ob MS als molekulare Marker bei der Zuckerrübe genutzt werden können. Dazu sollte die Häufigkeit, der Polymorphiegrad und die Verteilung im Genom ermittelt werden.
Aus genomischen Phagenbanken wurden Klone mit verschiedenen MS-Motiven isoliert. Dabei ergaben sich Häufigkeiten von einem Mikrosatelliten pro 225 bis 527 kb.
Es wurden 217 MS-Sequenzen gefunden und sequenziert. Bei den (GT)n MS waren 23 der Sequenzen homolog zu der Satelliten-DNA "BamHI".
Insgesamt konnten aus 102 Sequenzen Primerpaare abgeleitet werden, von denen 71 funktional waren. In einem Satz aus 23 Zuckerrübenlinien wurde der Polymorphiegrad der funktionalen Marker untersucht.
Dabei erwiesen sich 64 von 71 Marker als polymorph. Bei den polymorphen Markern beträgt die Allelzahl je Locus im Durchschnitt 4,9 und reicht von 2 bis 13.
Die PIC-Werte haben einen Mittelwert von 0,58 und reichen von 0,17 bis 0,86. Zum Vergleich der MS-Marker mit RFLP- und AFLP-Markern wurden neun Zuckerrübenlinien mit jeweils fünf Einzelpflanzen untersucht.
Hier weisen die MS-Marker im Vergleich zu RFLP- und AFLP-Markern einen höheren Polymorphiegrad auf. In die genetischen Kopplungskarten von zwei F2-Populationen konnten 33 MS-Marker (47) integriert werden.
Dabei sind die Marker gleichmäßig über die Chromosomen verteilt. Damit ist es möglich, mit Hilfe von MS-Markern, dichte genetische Kopplungskarten für die Zuckerrübe zu erstellen
Optimizing the development of seed-parent lines in hybrid rye breeding
No full textIn hybrid rye breeding, seed-parent and pollinator lines are developed from two divergent gene pools.
Line development comprises selection for line performance per se followed by selection for combining ability to the opposite gene pool.
Cytoplasmic-genic male sterility (CMS) is employed as hybridizing mechanism.
This study deals with model calculations aiming to optimize and compare alternative schemes of seed-parent line development in hybrid rye breeding on the basis of their expected selection gain per year in an index comprising the most important breeding objectives.
Prediction of selection gains rests on current estimates of quantitative-genetic and economic parameters.
The schemes are optimized for the number of candidates, testers to assess testcross performance, test locations, and replicates at the individual selection stages.
Optimization is carried out assuming a fixed annual budget.
Five schemes are investigated which differ in the basic genetic material assumed, in the type of test units and the number of selection stages for line and testcross selection, and in the length.
The standard scheme employs second cycle material. First, S2-lines are evaluated per se.
Selection for combining ability is then carried out at two stages employing testcross progenies of the CMS analogues of the candidate lines in backcross generations BC1 resp. BC2.
The first alternative scheme employs an additional stage of BC1L-testcross selection.
Another scheme is suited for developing seed-parent lines from broader-based population material.
In addition to these 'conventional' methods, a scheme using doubled haploid lines is investigated as well as a scheme in which testcross progenies are produced by means of a gametocide instead of CMS.
The optimum dimensioning and relative efficiency of the schemes is investigated for various genetical and economical situations.In der Hybridroggenzüchtung werden Saat- und Pollenelterlinien aus zwei divergenten Formenkreisen entwickelt.
Zunächst wird auf Linieneigenleistung selektiert, anschließend auf Kombinationsfähigkeit zum anderen Formenkreis.
Hybridmechanismus ist die cytoplasmatisch-genische männliche Sterilität (CMS).
Thema der Arbeit sind Modellrechnungen zur Optimierung und Bewertung alternativer Schemata der Saatelterlinienentwicklung in der Hybridroggenzüchtung anhand ihres erwarteten Selektionsgewinns pro Jahr in einem die wichtigsten Zuchtziele umfassenden Selektionsindex.
Die Vorhersage der Selektionsgewinne basiert auf aktuellen Schätzwerten quantitativ-genetischer und ökonomischer Parameter.
Ermittelt wird die optimale Anzahl der Kandidaten, der Tester zur Erstellung der Testkreuzungen, der Prüforte und der Wiederholungen auf allen Selektionsstufen.
Die Optimierung erfolgt unter der Restriktion eines begrenzten Jahresbudgets.
Untersucht werden fünf Schemata, die sich bzgl. des Ausgangsmaterials, der Art der Testeinheiten, der Anzahl der Selektionsstufen und der Dauer unterscheiden.
Als Standard dient ein Second-Cycle-Schema, in dem zuerst die Eigenleistung von S2-Linien geprüft wird.
Die Selektion auf Kombinationsfähigkeit erfolgt dann in zwei Stufen an Testkreuzungen der CMS-Analogformen der Kandidaten in Rückkreuzungsgeneration BC1 bzw. BC2.
Das erste alternative Schema beinhaltet eine zusätzliche Stufe der BC1L-Testkreuzungsselektion.
Ein weiteres Schema ist geeignet zur Entwicklung von Saatelterlinien aus genetisch breiterem Populationsmaterial.
Darüberhinaus wurde die Verwendung von doppelhaploiden Linien untersucht sowie ein Schema, in dem Testkreuzungen mit Hilfe eines Gametozids anstelle der CMS erstellt werden.
Untersucht werden die optimale Dimensionierung und relative Vorzüglichkeit der Schemata für verschiedene genetische und ökonomische Situationen.
Zusätzliche praxisrelevante Kriterien werden diskutiert und Empfehlungen für die Zücht
Experimentelle und Simulationsstudien zur Introgression genomischer Segmente exotischen Zuchtmaterials in Elite-Zuchtmaterial bei Roggen durch markerge-stützte Rückkreuzung Zuchtmaterials
No full textThe introgression of exotic germplasm is a promising approach to increase the genetic diversity of elite rye breeding materials. Even though exotic germplasm may contain genomic segments that can improve oligo- and polygenically inherited traits, it has not been intensively utilized in modern rye breeding due to its agronomically inferior phenotypes and low performance level. Introgression of exotic germplasm requires techniques that would minimize negative side effects attributable to genetic interactions between recipient and donor. This appears achievable by the introgression library approach involving the systematic transfer of donor chromosome (DC) segments from an agriculturally unadapted source (donor) into an elite line (recipient, recurrent parent). A set of introgression lines (ILs) is thus developed, in which introgression is restricted to one or a few short DC segments. Ideally, the introgressed DC segments are evenly distributed over the whole recipient genome and the total genome of the exotic donor is comprised in the established set of ILs.
The systematic development of an introgression library in rye has not been described yet. The main objectives of this study were to i) establish two rye introgression libraries by marker-assisted backcrossing, comprising of ILs each harbouring one to three DC segments and jointly covering most of the donor genome (DG), and ii) apply computer simulations to develop a highly effective and cost-efficient marker-assisted introgression strategy for the creation of introgression libraries in rye.
A cross between a homozygous elite rye inbred line L2053-N (recurrent parent) and a heterozygous Iranian primitive rye population Altevogt 14160 (donor) was used as base material to generate the two libraries (F and G). Repeated backcrossing (BC) and subsequent selfing (S) until generation BC2S3 were chosen as the introgression method. The AFLP and SSR markers were employed to select individuals carrying desired DC segments, starting from generation BC1 to generation BC2S2. The chromosomal localization of DC segments, the number of DC segments per IL, and the proportion of recurrent parent genome were used as criteria to select parent individuals. This procedure resulted in the first two rye introgression libraries worldwide, comprising 40 BC2S3 ILs per library and covering 72% of the total DG in library F and 63% in library G (jointly approximately 80%). Most of the established ILs harboured one to three homozygous DC segments (on average 2.2 in both libraries), with a mean length of 18.3 cM in library F and 14.3 cM in library G.
Computer simulations were conducted using the software PLABSIM version 2 to evaluate and optimize strategies for developing an introgression library in rye. Simulations were based on map-length estimates obtained from genotyping the BC1 generation of population F (7 chromosome pairs, genome size 665 cM). Six strategies differing in the number of BC and S generations were analysed, by setting the restrictions of sufficient DG coverage and RPG recovery. The medium-long BC3S1 strategy proved to be the most recommendable. It allows to achieve close to 100% DG coverage with moderate progeny sizes (19 individual per IL) in the individual generations and an acceptable total number of marker data points (52700), thus providing a good compromise between the cost and speed of an introgression procedure. Longer strategies are somewhat more cost-efficient but too time-demanding. The reverse is true for shorter strategies. An optimal allocation of resources is achieved by starting an introgression strategy with a small BC1 population (between 60 and 200 individuals) and stepwise increasing the progeny size per IL from about 15 to about 25-35 individuals in the succeeding generations.
Targeting longer DC segments and using genetic maps with lower marker density allow a remarkable reduction in resources. This approach, however, possesses shortcomings when implementation in breeding is considered. The longer DC segments more likely carry i) unfavourable loci as well, ii) more than one gene controlling the trait in question, or iii) many additional loci affecting other traits. The major disadvantage of genetic maps with large marker distances is the unknown information about possible double cross-overs within marker intervals. All above-mentioned disadvantages may cause problems in the process of identification and isolation of genes controlling the trait of interest. Thus, a lower initial effort for the establishment of an introgression library will later on require additional efforts for using the ILs in breeding and genomics.
Since the results of the simulation study became available after the marker-assisted establishment of the two rye introgression libraries had been finished, the dimensioning of the experimental study deviated from the optimum dimensioning determined in the simulation study: i) The BC2S2 introgression strategy was used in the empirical approach, whereas the BC3S1 strategy proved to be most recommendable in the simulation study. ii) The BC1 population sizes of libraries F and G (68 and 69, respectively) were far below the optimum value (200) determined in the simulation study for the chosen BC2S2 strategy. iii) The mean progeny sizes per IL from generation BC2 onwards varied between 7 and 21, whereas the optimum progeny size would have been two to three times higher. iv) The total number of analysed individuals (690 in library F, 684 in library G) was considerably lower than the optimum determined in the simulation study (3440). As a consequence, the coverage of the donor genome in the two libraries was incomplete and most ILs harboured more than a single DC segment. The potential application of the results of the simulation study would have increased the value of the developed ILs (higher DG coverage, lower number of DC segments per IL) considerably, despite limited resources.
The effects of the introgressed DC segments on agronomically important qualitative and quantitative traits still need to be examined in multi-environmental field experiments. Introgression lines with beneficial DC segments may directly be used in practical hybrid rye breeding programs. Moreover, such ILs may be further backcrossed to create near isogenic lines (NILs) each carrying a single marker-characterized short DC segment. These NILs are an ideal starting point for high-resolution mapping and for the isolation and functional characterisation of candidate genes.
The two rye introgression libraries and the results of the simulation study mark important milestones for the targeted exploitation of exotic rye germplasm and provide a promising opportunity to proceed towards functional genomics in rye.Durch die Einkreuzung genetischer Ressourcen kann die Diversität von Elitezuchtmaterial bei Roggen erhöht werden. Diese vielversprechende Möglichkeit wurde in der aktuellen Züchtung bisher kaum genutzt, obwohl exotisches Genmaterial einzelne günstige agronomische Eigen-schaften besitzen kann. Der Hauptgrund dafür ist die geringe Anpassung solcher Populationen an unsere Produktions- und Umweltbedingungen. Durch die markergestützte Entwicklung von Introgressionsbibliotheken, die zur systematischen Übertragung von einzelnen Donorchromo-som (DC)-Segmenten aus einer nicht-adaptierten Quelle (Donor) in Elitezuchtmaterial (Emp-fänger, Rekurrenter Elter) führen, könnten agronomisch ungünstige Nebeneffekte vermieden werden. Dabei werden Introgressionslinien (ILs) entwickelt, die nur ein oder wenige, kurze DC-Segmente enthalten. Die eingelagerten DC-Segmente sollten dabei gleichmäßig über das Empfängergenom verteilt sein und möglichst das Gesamtgenom des Donors repräsentieren.
Eine systematische Entwicklung einer Introgressionsbibliothek wurde bei Roggen bisher noch nicht beschrieben. Die wesentlichen Ziele der Arbeit waren deshalb (1) zwei Introgressi-onsbibliotheken des Roggens durch markergestützte Rückkreuzung zu entwickeln, deren ILs jeweils nur ein bis drei DC-Segmente beinhalten, die zusammen den größten Teil des Donor-genoms abdecken und (2) durch Computersimulationen kosten- und zeiteffiziente Strategien für den Aufbau von Introgressionsbibliotheken zu entwickeln.
Ausgangspunkt der Erstellung der Introgressionsbibliotheken (F bzw. G) war eine Kreu-zung zwischen der homozygoten Elitelinie L2053-N (Rekurrenter Elter) und der heterozygoten iranischen Primitivroggenpopulation Altevogt 14160 (Donor). Durch zwei Rückkreuzungen und anschließende Selbstungen wurde das Material bis zur BC2S3-Generation entwickelt. AFLP- und SSR-Marker dienten in den ersten vier Generationen dazu, die Einzelpflanzen mit den erwünschten DC-Segmenten zu selektieren. Als Selektionskriterien dienten die chromo-somale Lokalisation der DC-Segmente, die Anzahl DC-Segmente pro IL und der Anteil des rekurrenten Elterngenoms. Dadurch entstanden die weltweit ersten beiden Roggen-Introgressionsbibliotheken. Sie bestehen aus je 40 BC2S3-ILs und umfassen 72% (Bibliothek F) bzw. 63% (Bibliothek G) des gesamten Donorgenoms; zusammen wurden rund 80% er-reicht. Die meisten ILs enthalten ein bis drei homozygote DC-Segmente (Mittel 2,2) mit einer mittleren Länge von 18.3 cM in Bibliothek F und 14.3 cM in Bibliothek G.
Die Computersimulationen wurden mit dem Programmpaket PLABSIM, Version 2, durchgeführt, um eine optimale Introgressionsstrategie für Roggen zu entwickeln. Sie basierten auf sieben Chromosomen mit einer durchschnittlichen Kartenlänge der Introgressionsbiblio-thek F von 665 cM. Sechs unterschiedliche Strategien, die sich in der Anzahl der Rückkreu-zungs- und Selbstungsgenerationen unterschieden, wurden untersucht, wobei als Kriterien eine ausreichende Donorgenomabdeckung und ein maximaler Anteil des Empfängergenoms dien-ten. Als am effizientesten erwies sich der Aufbau einer BC3S1- Bibliothek. Dabei können mit einer relativ geringen Anzahl an Nachkommen je IL (N=19) und einer angemessenen Anzahl an Markerdatenpunkte (52.700) nahezu 100% des Donorgenoms abgedeckt werden. Eine län-ger dauernde Introgression ist etwas kostengünstiger, aber natürlich zeitaufwändiger. Strate-gien kürzerer Dauer sind wesentlich teurer. Eine optimale Allokation an Ressourcen wird er-reicht, wenn man die Introgression mit einer kleinen BC1-Population (60 bis 200 Einzelpflan-zen) beginnt und in den nachfolgenden Generationen die Nachkommenschaftsgröße je IL schrittweise erhöht (etwa 15 auf 25-35 Einzelpflanzen).
Die Kapazitäten können wesentlich vermindert werden, wenn längere DC-Segmente ange-strebt bzw. genetische Karten mit geringerer Markerdichte verwendet werden. Dies hat jedoch für die Verwendung in der Pflanzenzüchtung erhebliche Nachteile. Längere DC-Segmente ent-halten mit größerer Wahrscheinlichkeit (1) auch agronomisch ungünstige Loci, (2) mehr als ein Gen des Zielmerkmals, wenn es sich um polygenische Eigenschaften handelt, oder (3) zahlrei-che Gene, die andere Eigenschaften betreffen. Der größte Nachteil von genetischen Karten mit großen Markerabständen ist die Unsicherheit bezüglich doppelter Crossover-Ereignisse inner-halb der Markerintervalle. All diese Nachteile verursachen Probleme bei der späteren Identifi-kation der Zielgene und der Genisolation. Eine zu starke Kostenreduktion am Beginn der Introgression muss daher mit erhöhten Kosten bei der Verwendung der IL in der praktischen Züchtung und bei genomischen Ansätzen erkauft werden.
Die Ergebnisse der Simulationsstudien lagen erst vor als die experimentelle Erstellung der beiden Roggen-Introgressionsbibliotheken abgeschlossen war. Deshalb ergaben sich folgende Unterschiede zur optimalen Strategie: (1) Es wurde die BC2S2?Generation genutzt, obwohl die BC3S1?Generation in der Simulationsstudie besser abschnitt. (2) Die Populationsgröße der BC1?Generation war für die Introgressionsbibliothek F (N=68) bzw. G (N=69) weit von der optimalen Größe (N=200) entfernt, (3) die mittlere Anzahl Nachkommen je IL ab der BC2-Generation schwankte zwischen 7 und 21, während die zwei- bis dreifache Größe optimal ge-wesen wäre, (4) die Gesamtzahl bearbeiteter Einzelpflanzen (N=690 bzw. 684 für Introgressi-onsbibliothek F bzw. G) war deutlich geringer als aufgrund der Simulationsstudie erforderlich (N=3440). Dies führte zu einer unvollständigen Abdeckung des Donorgenoms in beiden Introgressionsbibliotheken und erklärt, warum die meisten IL mehr als ein DC-Segment enthal-ten. Hätten die Ergebnisse der Simulationsstudie für die empirische Studie verwendet werden können, dann wäre der Wert der entstanden IL trotz begrenzter Kapazitäten bezüglich der ge-nannten Merkmale höher gewesen.
Der Einfluss der nicht-adaptierten DC-Segmente auf agronomisch wichtige, qualitativ bzw. quantitativ vererbte Merkmale muss noch in umfangreichen Felduntersuchungen ermittelt werden. ILs mit günstigen DC-Segmenten können direkt in der praktischen Hybridroggenzüch-tung verwendet werden. Sie können aber auch weiter rückgekreuzt werden, um nahe-isogenische Linien (NILs) zu erzeugen, von denen jede nur ein einzelnes, kurzes DC-Segment trägt, das durch Marker gezielt angesprochen werden kann. Diese NILs wären ein günstiger Ausgangspunkt für eine hochauflösende Kartierung und die Isolierung und funktionale Charak-terisierung von Kandidatengenen.
Die Erstellung der beiden Introgressionsbibliotheken und die Ergebnisse der Simulations-studie sind wichtige Meilensteine für die gezielte Nutzung genetischer Ressourcen und eröff-nen vielversprechende Möglichkeiten für die funktionale Genomanalyse bei Roggen
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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