Targeting quantitative trait loci for adult plant stripe rust resistance in wheat
Loading...
Date
2007-11
Authors
Philippou, Onoufrios Agathoclis
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: Stripe rust, caused by Puccinia striiformis West. f. sp. tritici is one of the most damaging
diseases of wheat (Triticum aestivum L.) globally. The South African wheat cultivar Kariega
expresses APR and has retained yield levels acceptable for commercial production, which is
of great importance to plant breeders. A Kariega x Avocet S partial linkage map has made a
significant contribution to understanding the genetics underlying APR to stripe rust (Yr) in
Kariega. Two major YrQTL with indications of different resistance mechanisms were
identified on chromosomes 2B and 7D.
In this study we investigated the effectiveness of identifying AFLP markers closely linked to
the YrQTL using a targeted bulk segregant analysis (tBSA) approach in F1 doubled haploid
(DH) individuals. Individual Kariega x Avocet S DH lines were characterised and bulked
based on stripe rust phenotypes and DNA marker allele profiles. In agreement with standard
BSA, an extreme resistant bulk (both QTL present: +7D+2B) and extreme susceptible bulk
(both QTL absent: -7D-2B) were constructed based on phenotypic data and verified with
marker allele data. Three additional bulks (+7D-2B; -7D+2B and narrow down +7D±2B with
marker recombinations in 7D QTL interval) were constructed based on a combination of
phenotypic and marker data, with a strong emphasis on the presence or absence of marker
alleles representing a specific QTL interval as required by a specific bulk.
A total of 184 AFLP primer combinations (SseI and MseI) were tested on the two parental
lines and five bulks. Thirty-one of these primer combinations detected 32 putative markers
that could discriminate between the extreme resistant and susceptible bulks and that were
putatively linked to either the 7D or 2B QTL regions. After validation of these markers on all
individuals used in the extreme resistant and extreme susceptible bulks, nine markers were
identified that were present in the extreme resistant and the specific -7D+2B bulk, but absent
in the extreme susceptible bulk. Another two markers were identified that were present in the
extreme resistant, +7D-2B and narrow down +7D±2B bulks, but absent in the extreme
susceptible bulk. These markers were mapped onto the existing Kariega x Avocet S partial linkage map using Map Manager QTXb20. Six AFLP markers mapped within or close to the
QYr.sgi.2B and one close to the QYr.sgi.7D QTL regions.
The tBSA approach was efficient since 10 of the 11 markers (91%) putatively identified after
screening of the individuals constituting the bulk samples mapped to either chromosome 2B
or 7D. AFLP analysis in combination with tBSA was shown to be reproducible, faster and a
more cost effective approach compared to a traditional BSA since tBSA lead to a reduction
of 28.2% of primers that need to be tested. Following the tBSA approach, marker s23m53d
mapped 3 cM from marker gwm148 previously shown to be significantly associated with
mean host reaction type for final field data as well as leaf area infected of the QYr.sgi-2B
QTL region. This resulted in an increase in LOD score from 20.1 to 23.9 using interval
mapping. Even though two markers were added to the 7D chromosome, both mapped outside
the QYr.sgi-7D QTL region. Marker s20m38b mapped 9 cM from the SSR marker gwm295
and 20 cM from the Ltn gene previously shown to be associated with the trait of interest on
chromosome 7D.
In summary, the combination of AFLP analysis and a tBSA approach has proved to be useful
in the identification of QTL, the placement of closely linked markers to known QTLs and
targeting chromosome areas with low marker numbers. Indications are that a large number of
AFLP primer combinations need to be screened to successfully target a specific QTL interval
for increased map resolution.
Afrikaans: Streeproes, wat deur Puccinia striiformis West. f. sp. tritici veroorsaak word, is een van die koringsiektes wat wêreldwyd die grootste skade op koring (Triticum aestivum L.) veroorsaak. Die Suid-Afrikaanse koring kultivar Kariega bevat volwasse plant weerstand (APR) teen streeproes asook kommersieël aanvaarbare opbrengsvlakke wat baie belangrik vir plantetelers is. ‘n Kariega x Avocet S gedeeltelike koppelingskaart het ‘n betekenisvolle bydrae tot kennis aangaande die onderliggende genetika van APR teen streeproes (Yr) in Kariega gemaak. Twee hoof streeproes kwantitatiewe eienskap lokusse (YrQTL), met aanduidings van verskillende weerstandsmeganismes, is op chromosome 2B en 7D geïdentifiseer. Die doeltreffendheid om geamplifiseerde fragment lengte polimorfisme (AFLP) merkers wat naby aan die YrQTL gekoppel is te identifiseer deur gebruik te maak van geteikende massa segregerende analise (tBSA) in F1 dubbel haploïde (DH) individue, is in hierdie studie ondersoek. Individuele Kariega x Avocet S DH lyne is gekarakteriseer en op grond van streeproes fenotipes en DNA merker alleel profiele bymekaar gevoeg. Ooreenkomstig met standaard massa segregerende analise (BSA) is ‘n uiters weerstandbiedende poel (beide QTL teenwoordig: +7D+2B) en ‘n uiters vatbare poel (beide QTL afwesig: -7D-2B), gebaseer op fenotipiese data en bevestig met merker alleel data, saamgestel. Drie addisionele poele (+7D- 2B; -7D+2B en ‘n kleiner geteikende +7D±2B poel met merker rekombinasie van die 7D QTL interval) is op grond van ‘n kombinasie van fenotipiese en merker data, met ‘n sterk klem op die teenwoordigheid of afwesigheid van merker allele wat die spesifieke QTL intervalle verteenwoordig, soos deur die spesifieke poel vereis, saamgestel. ‘n Totaal van 184 AFLP voorvoerder kombinasies (SseI and MseI) is op die twee ouerlyne en vyf poele getoets. Een-en-dertig van hierdie voorvoerder kombinasies het 32 moontlike merkers wat tussen die uiters weerstandbiedende en vatbare poele kon onderskei en moontlik aan of die 7D of die 2B QTL gebiede gekoppel is, opgespoor. Nadat hierdie merkers op al die individue wat gebruik is om die uiters weerstandbiedende en vatbare poele saam te stel bevestig is, is nege merkers geïdentifiseer wat in die uiters weerstandbiedende poel en die spesifieke -7D+2B poel teenwoordig was, maar afwesig was in die uiters vatbare poel. Die ander twee merkers wat geïdentifiseer is, was teenwoordig in die uiters weerstandbiedende poel, +7D-2B en kleiner geteikende +7D±2B poele, maar afwesig in die uiters vatbare poel. Hierdie merkers is op die bestaande Kariega x Avocet S gedeeltelike koppelingskaart gekarteer deur van Map Manager QTXb20 gebruik te maak. Ses van die AFLP merkers het binne of naby die QYr.sgi.2B en een naby die QYr.sgi.7D QTL gebiede gekarteer. Die tBSA benadering was effektief aangesien 10 van die 11 merkers (91%) wat aanvanklik, op grond van toetse op individue wat gebruik is om die poele saam te stel, as moontlike merkers geïdentifiseer is, of na chromosoom 2B of 7D gekarteer het. AFLP analise in kombinasie met tBSA was ‘n meer herhaalbare, vinniger en koste-effektiewe benadering in vergelyking met tradisionele BSA aangesien 28.2% minder voorvoerders getoets is met tBSA in vergelyking met BSA. Gebaseer op tBSA resultate, het merker s23m53d 3 cM van merker gwm148, voorheen aangetoon as betekenisvol gekoppel aan die gemiddelde gasheerreaksie tipe vir die finale veld data asook blaaroppervlakte geïnfekteer van die QYr.sgi-2B QTL gebied, gekarteer. Dit het gebaseer op interval kartering tot ‘n verhoging van die LOD telling vanaf 20.1 na 23.9, gelei. Alhoewel twee addisionele merkers op chromosoom 7D gekarteer is het beide buite die QYr.sgi-7D QTL gebied gekarteer. Merker s20m88b het 9 cM van die mikrosatelliet merker gwm295 en 20 cM van die Ltn geen, voorheen aangetoon as geassosieer met die geteikende eienskap op chromsoom 7D, gekarteer. Opsommend is gevind dat die kombinasie van AFLP analise en ‘n tBSA benadering bruikbaar is vir die identifisering van QTL, die plasing van naby gekoppelde merkers aan bekende QTL en die teikening van chromosoom areas met lae merker getalle. Resultate dui daarop dat ‘n groot aantal AFLP voorvoerder kombinasies getoets moet word om spesifieke QTL gebiede suksesvol te teiken vir verbeterde kaart resolusie.
Afrikaans: Streeproes, wat deur Puccinia striiformis West. f. sp. tritici veroorsaak word, is een van die koringsiektes wat wêreldwyd die grootste skade op koring (Triticum aestivum L.) veroorsaak. Die Suid-Afrikaanse koring kultivar Kariega bevat volwasse plant weerstand (APR) teen streeproes asook kommersieël aanvaarbare opbrengsvlakke wat baie belangrik vir plantetelers is. ‘n Kariega x Avocet S gedeeltelike koppelingskaart het ‘n betekenisvolle bydrae tot kennis aangaande die onderliggende genetika van APR teen streeproes (Yr) in Kariega gemaak. Twee hoof streeproes kwantitatiewe eienskap lokusse (YrQTL), met aanduidings van verskillende weerstandsmeganismes, is op chromosome 2B en 7D geïdentifiseer. Die doeltreffendheid om geamplifiseerde fragment lengte polimorfisme (AFLP) merkers wat naby aan die YrQTL gekoppel is te identifiseer deur gebruik te maak van geteikende massa segregerende analise (tBSA) in F1 dubbel haploïde (DH) individue, is in hierdie studie ondersoek. Individuele Kariega x Avocet S DH lyne is gekarakteriseer en op grond van streeproes fenotipes en DNA merker alleel profiele bymekaar gevoeg. Ooreenkomstig met standaard massa segregerende analise (BSA) is ‘n uiters weerstandbiedende poel (beide QTL teenwoordig: +7D+2B) en ‘n uiters vatbare poel (beide QTL afwesig: -7D-2B), gebaseer op fenotipiese data en bevestig met merker alleel data, saamgestel. Drie addisionele poele (+7D- 2B; -7D+2B en ‘n kleiner geteikende +7D±2B poel met merker rekombinasie van die 7D QTL interval) is op grond van ‘n kombinasie van fenotipiese en merker data, met ‘n sterk klem op die teenwoordigheid of afwesigheid van merker allele wat die spesifieke QTL intervalle verteenwoordig, soos deur die spesifieke poel vereis, saamgestel. ‘n Totaal van 184 AFLP voorvoerder kombinasies (SseI and MseI) is op die twee ouerlyne en vyf poele getoets. Een-en-dertig van hierdie voorvoerder kombinasies het 32 moontlike merkers wat tussen die uiters weerstandbiedende en vatbare poele kon onderskei en moontlik aan of die 7D of die 2B QTL gebiede gekoppel is, opgespoor. Nadat hierdie merkers op al die individue wat gebruik is om die uiters weerstandbiedende en vatbare poele saam te stel bevestig is, is nege merkers geïdentifiseer wat in die uiters weerstandbiedende poel en die spesifieke -7D+2B poel teenwoordig was, maar afwesig was in die uiters vatbare poel. Die ander twee merkers wat geïdentifiseer is, was teenwoordig in die uiters weerstandbiedende poel, +7D-2B en kleiner geteikende +7D±2B poele, maar afwesig in die uiters vatbare poel. Hierdie merkers is op die bestaande Kariega x Avocet S gedeeltelike koppelingskaart gekarteer deur van Map Manager QTXb20 gebruik te maak. Ses van die AFLP merkers het binne of naby die QYr.sgi.2B en een naby die QYr.sgi.7D QTL gebiede gekarteer. Die tBSA benadering was effektief aangesien 10 van die 11 merkers (91%) wat aanvanklik, op grond van toetse op individue wat gebruik is om die poele saam te stel, as moontlike merkers geïdentifiseer is, of na chromosoom 2B of 7D gekarteer het. AFLP analise in kombinasie met tBSA was ‘n meer herhaalbare, vinniger en koste-effektiewe benadering in vergelyking met tradisionele BSA aangesien 28.2% minder voorvoerders getoets is met tBSA in vergelyking met BSA. Gebaseer op tBSA resultate, het merker s23m53d 3 cM van merker gwm148, voorheen aangetoon as betekenisvol gekoppel aan die gemiddelde gasheerreaksie tipe vir die finale veld data asook blaaroppervlakte geïnfekteer van die QYr.sgi-2B QTL gebied, gekarteer. Dit het gebaseer op interval kartering tot ‘n verhoging van die LOD telling vanaf 20.1 na 23.9, gelei. Alhoewel twee addisionele merkers op chromosoom 7D gekarteer is het beide buite die QYr.sgi-7D QTL gebied gekarteer. Merker s20m88b het 9 cM van die mikrosatelliet merker gwm295 en 20 cM van die Ltn geen, voorheen aangetoon as geassosieer met die geteikende eienskap op chromsoom 7D, gekarteer. Opsommend is gevind dat die kombinasie van AFLP analise en ‘n tBSA benadering bruikbaar is vir die identifisering van QTL, die plasing van naby gekoppelde merkers aan bekende QTL en die teikening van chromosoom areas met lae merker getalle. Resultate dui daarop dat ‘n groot aantal AFLP voorvoerder kombinasies getoets moet word om spesifieke QTL gebiede suksesvol te teiken vir verbeterde kaart resolusie.
Description
Keywords
Dissertation (M.Sc.Agric. (Plant Sciences (Plant Breeding))--University of the Free State, 2007, Wheat -- Genetics -- South Africa, Stripe rust -- South Africa, Wheat -- Disease and pest resistance, Wheat -- Breeding -- South Africa, Targeted bulk segregant analysis (tBSA), Marker-assisted selection (MAS), Linkage mapping, Interval mapping (IM), Doubled haploids (DH), Amplified fragment length polymorphism (AFLP)