A new version of this entry is available:
Loading...
Doctoral Thesis
2005
Experimental and simulation studies on introgressing genomic segments from exotic into elite germplasm of rye (Secale cereale L.) by marker-assisted backcrossing
Experimental and simulation studies on introgressing genomic segments from exotic into elite germplasm of rye (Secale cereale L.) by marker-assisted backcrossing
Abstract (English)
The 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.
Abstract (German)
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.
File is subject to an embargo until
This is a correction to:
A correction to this entry is available:
This is a new version of:
Notes
Publication license
Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Plant Breeding, Seed Science and Population Genetics
Examination date
2005-08-29
Supervisor
Edition / version
Citation
Identification
DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Susic2005,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5044},
author = {Susic, Zoran},
title = {Experimental and simulation studies on introgressing genomic segments from exotic into elite germplasm of rye (Secale cereale L.) by marker-assisted backcrossing},
year = {2005},
school = {Universität Hohenheim},
}