Pyramiding wheat rust resistance genes using marker-assisted selection
Loading...
Date
2007-11
Authors
Sydenham, Scott Lloyd
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: Wheat (Triticum aestivum L.) is widely cultivated over large areas and is an important food crop worldwide. Wheat is extensively used during the production of many different types of foods. Wheat rusts (leaf, stem and stripe rust) are important foliar diseases of wheat worldwide, causing large losses and damage to the wheat industry. The ability of these rust pathogens to change and be dispersed over long distances pose a continual global threat. Annually millions around the world are spent on fungicides in an attempt to control wheat rusts. Resistant cultivars have proven to be the most effective, economical and environmentally friendly form of rust control. Although many resistant cultivars have been developed historically, a need for more durable resistance exists. The application of molecular markers and marker-assisted selection (MAS) strategies in breeding programmes can support plant breeders in accomplishing pyramiding of several rust resistant genes into new cultivars. The aim of this study was to pyramid seven rust resistant genes/QTL (leaf, stripe and stem rust) into a single genotype using five SSR, three STS and two AFLP markers. The study focused on wheat genes applicable to the local wheat industry and markers used and/or developed in South African breeding programmes. In this study four bread wheat cultivars or lines (AvocetYrsp, Blade, CSLr19-149-299 and Kariega) were used as parental sources of five resistance genes (Sr2, Sr26, YrSp, Lr19 and Lr34) and two QTL (QYr.sgi-7D and QYr.sgi-2B). Selection after each cross was done using a MAS approach with SSR and STS markers linked to the different resistant genes/QTL. The study was conducted over a two year period, involving the development of two different sets of F1 offspring and one double cross generation from a series of directional crosses. Before crosses were made, the presence of the expected rust resistance genes was confirmed in the parental lines using specific SSR, STS and AFLP markers. The SSR and STS markers amplified the expected allele sizes in the parental lines, except for the unexpected detection of the Lr34 gene in AvocetYrSp. Results indicated that the Sr2 marker was not consistently present in Blade, suggesting the Blade cultivar was heterogeneous for Sr2. The AFLP markers linked to the YrSp resistance gene did not detect differences between the parental lines and were excluded from further experiments. The F1 generations were screened with one SSR or STS marker each to identify successful crosses. Genotyping of the F1 generations indicated than on average, 85.5% of the tested F1’s were true hybrids. Phenotypic screening was done on the parental lines and F1 individuals for the three rust types and confirmed the presence of the expected genes in the parental lines as well as selected F1 individuals. A total of 900 individuals of the double cross generation were screened with five SSR and three STS markers associated with resistance genes and QTL to identify whether gene pyramiding within a single genotype was successful. The number of individual plants of the double cross population containing markers linked to the desired resistance gene(s)/QTL ranged from two individuals containing none of the markers to three individuals containing all eight markers. The three individuals containing eight markers confirmed the presence of markers associated to the presence of the four single genes (Sr2, Sr26, Lr19 and Lr34) and two QTL (QYr.sgi-7D and QYr.sgi-2B.1). Due to the inefficiency of the AFLP markers, the presence of the seventh gene (YrSp) could not be confirmed on genotypic level. The future uses of the developed rust resistance gene pyramided lines of this study are countless. The use of these lines in combating the continual threat of wheat rusts in some manner should be helpful in future.
Afrikaans: Koring (Triticum aestivum L.) word algemeen oor groot gebiede verbou en is ‘n belangrike voedselgewas wêreldwyd. Koring word op groot skaal vir die produksie van baie verskillende tipes kossoorte gebruik. Een van die belangrikste koringblaar siektes wêreldwyd is roes (blaar-, stam- en streeproes) wat groot verliese en skade in die koringbedryf veroorsaak. Die vermoë van hierdie roespatogene om te verander en oor lang afstande te verprei hou wêreldwyd ‘n deurlopende gevaar in. In ‘n poging om roes op koring te beheer word daar wêreldwyd miljoene jaarliks aan swamdoders spandeer. Daar is gevind dat weerstandbiedende kultivars die mees effektiewe, ekonomiese en omgewingsvriendelike vorm van roes beheer is. Alhoewel daar in die verlede reeds baie weerstandbiedende kultivars ontwikkel is, bestaan daar steeds ‘n behoefte vir verbeterde standhoudende weerstand. Die gebruik van molekulêre merkers en merker-ondersteunde seleksie (MAS) strategieë in teelprogramme kan plantetelers help om verskeie roes weerstandsgene in nuwe kultivars te stapel. Die doel van hierdie studie was om sewe roes weerstandsgene/kwantitatiewe eienskap lokusse (QTL) (blaar-, streep- en stamroes) in ‘n enkele genotipe te stapel deur van vyf mikrosatellietmerkers (SSR), drie volgorde-geteikende gebiede (STS) en twee geamplifiseerde fragment lengte polimorfisme (AFLP) merkers gebruik te maak. Die studie het op roesgene wat toepasbaar in die plaaslike koringindustrie, asook merkers wat in Suid-Afrikaanse teelprogramme gebruik en/of ontwikkel is, gefokus. In hierdie studie is vier broodkoring kultivars of lyne (AvocetYrsp, Blade, CSLr19-194-299 en Kariega) as ouer bronne vir vyf weerstandsgene (Sr2, Sr26, YrSp, Lr19 en Lr34) en twee QTL (QYr.sgi-7D en QYr.sgi-2B) gebruik. Seleksies is na elke kruising gedoen deur van ‘n MAS benadering gebruik te maak waar SSR en STS merkers gekoppel aan die verskillende weerstandsgene/QTL gebruik is. Die studie is oor ‘n twee jaar periode uitgevoer en het die ontwikkeling van twee verskillende F1 nageslagte en een dubbel-kruis generasie, vanaf ‘n reeks spesifiek gerigte kruisings, behels. Voordat kruisings gedoen is, is die teenwoordigheid van die verwagte roesgene in die ouerlyne bevestig deur van spesifieke SSR, STS en AFLP merkers gebruik te maak. Die SSR en STS merkers het die verwagte alleel groottes in die ouerlyne geamplifiseer, behalwe vir die onverwagte opsporing van die Lr34 geen in AvocetYrSp. Resultate het aangetoon dat die Sr2 merker nie deurgaans in Blade teenwoordig was nie. Die AFLP merkers gekoppel aan die YrSp weerstandsgene het nie verskille tussen die ouerlyne aangetoon nie en is nie in verdere eksperimente gebruik nie. Die F1 generasies is afsonderlik met een SSR of STS merker elk getoets om suksesvolle kruisings te identifiseer. Genotipering van die F1 generasies het aangetoon dat gemiddeld 85.5% van die getoetste F1 individue wel ware hibriede was. Fenotipiese toetse vir al drie roestipes is op die ouerlyne en F1 individue gedoen en het die teenwoordigheid van die verwagte gene in die ouerlyne, asook geselekteerde F1 individue, bevestig. ‘n Totaal van 900 individue van die dubbel-kruis generasie is met vyf SSR en drie STS merkers wat met die weerstandsgene en QTL geassosieer is, getoets om te bepaal of geenstapeling binne ‘n enkele individu wel suksesvol was. Die aantal individuele plante van die dubbel-kruis populasie wat merkers gekoppel aan die verlangde gene/QTL bevat het, het gewissel van twee individue wat geen merkers bevat het nie tot drie individue wat al agt merkers bevat het. Die drie individue wat al agt merkers bevat het, het die teenwoordigheid van merkers geassosieer met die vier enkel gene (Sr2, Sr26, Lr19 en Lr34) en twee QTL (QYr.sgi-7D en QYr.sgi-2B.1) bevestig. As gevolg van die ondoeltreffendheid van die AFLP merkers kon die teenwoordigheid van die sewende geen (YrSp) nie op genotipiese vlak bevestig word nie. Die toekomstige gebruik van die lyne met die gestapelde roes weerstandbiedende gene wat tydens die studie ontwikkel is, is ontelbaar. Hierdie lyne kan in die toekoms gebruik word om die deurlopende bedreiging van roes op koring in ‘n mate te bestry.
Afrikaans: Koring (Triticum aestivum L.) word algemeen oor groot gebiede verbou en is ‘n belangrike voedselgewas wêreldwyd. Koring word op groot skaal vir die produksie van baie verskillende tipes kossoorte gebruik. Een van die belangrikste koringblaar siektes wêreldwyd is roes (blaar-, stam- en streeproes) wat groot verliese en skade in die koringbedryf veroorsaak. Die vermoë van hierdie roespatogene om te verander en oor lang afstande te verprei hou wêreldwyd ‘n deurlopende gevaar in. In ‘n poging om roes op koring te beheer word daar wêreldwyd miljoene jaarliks aan swamdoders spandeer. Daar is gevind dat weerstandbiedende kultivars die mees effektiewe, ekonomiese en omgewingsvriendelike vorm van roes beheer is. Alhoewel daar in die verlede reeds baie weerstandbiedende kultivars ontwikkel is, bestaan daar steeds ‘n behoefte vir verbeterde standhoudende weerstand. Die gebruik van molekulêre merkers en merker-ondersteunde seleksie (MAS) strategieë in teelprogramme kan plantetelers help om verskeie roes weerstandsgene in nuwe kultivars te stapel. Die doel van hierdie studie was om sewe roes weerstandsgene/kwantitatiewe eienskap lokusse (QTL) (blaar-, streep- en stamroes) in ‘n enkele genotipe te stapel deur van vyf mikrosatellietmerkers (SSR), drie volgorde-geteikende gebiede (STS) en twee geamplifiseerde fragment lengte polimorfisme (AFLP) merkers gebruik te maak. Die studie het op roesgene wat toepasbaar in die plaaslike koringindustrie, asook merkers wat in Suid-Afrikaanse teelprogramme gebruik en/of ontwikkel is, gefokus. In hierdie studie is vier broodkoring kultivars of lyne (AvocetYrsp, Blade, CSLr19-194-299 en Kariega) as ouer bronne vir vyf weerstandsgene (Sr2, Sr26, YrSp, Lr19 en Lr34) en twee QTL (QYr.sgi-7D en QYr.sgi-2B) gebruik. Seleksies is na elke kruising gedoen deur van ‘n MAS benadering gebruik te maak waar SSR en STS merkers gekoppel aan die verskillende weerstandsgene/QTL gebruik is. Die studie is oor ‘n twee jaar periode uitgevoer en het die ontwikkeling van twee verskillende F1 nageslagte en een dubbel-kruis generasie, vanaf ‘n reeks spesifiek gerigte kruisings, behels. Voordat kruisings gedoen is, is die teenwoordigheid van die verwagte roesgene in die ouerlyne bevestig deur van spesifieke SSR, STS en AFLP merkers gebruik te maak. Die SSR en STS merkers het die verwagte alleel groottes in die ouerlyne geamplifiseer, behalwe vir die onverwagte opsporing van die Lr34 geen in AvocetYrSp. Resultate het aangetoon dat die Sr2 merker nie deurgaans in Blade teenwoordig was nie. Die AFLP merkers gekoppel aan die YrSp weerstandsgene het nie verskille tussen die ouerlyne aangetoon nie en is nie in verdere eksperimente gebruik nie. Die F1 generasies is afsonderlik met een SSR of STS merker elk getoets om suksesvolle kruisings te identifiseer. Genotipering van die F1 generasies het aangetoon dat gemiddeld 85.5% van die getoetste F1 individue wel ware hibriede was. Fenotipiese toetse vir al drie roestipes is op die ouerlyne en F1 individue gedoen en het die teenwoordigheid van die verwagte gene in die ouerlyne, asook geselekteerde F1 individue, bevestig. ‘n Totaal van 900 individue van die dubbel-kruis generasie is met vyf SSR en drie STS merkers wat met die weerstandsgene en QTL geassosieer is, getoets om te bepaal of geenstapeling binne ‘n enkele individu wel suksesvol was. Die aantal individuele plante van die dubbel-kruis populasie wat merkers gekoppel aan die verlangde gene/QTL bevat het, het gewissel van twee individue wat geen merkers bevat het nie tot drie individue wat al agt merkers bevat het. Die drie individue wat al agt merkers bevat het, het die teenwoordigheid van merkers geassosieer met die vier enkel gene (Sr2, Sr26, Lr19 en Lr34) en twee QTL (QYr.sgi-7D en QYr.sgi-2B.1) bevestig. As gevolg van die ondoeltreffendheid van die AFLP merkers kon die teenwoordigheid van die sewende geen (YrSp) nie op genotipiese vlak bevestig word nie. Die toekomstige gebruik van die lyne met die gestapelde roes weerstandbiedende gene wat tydens die studie ontwikkel is, is ontelbaar. Hierdie lyne kan in die toekoms gebruik word om die deurlopende bedreiging van roes op koring in ‘n mate te bestry.
Description
Keywords
Virulence, Simple sequence repeats (SSR), Sequence-tagged site (STS), Phenotypic screening, Genotyping, Durable resistance, Diseases, DNA, Amplified fragment length polymorphism (AFLP), Wheat -- Disease and pest resistance -- Genetic aspects, Wheat rusts, Genetic markers, Wheat -- Breeding, Dissertation (M.Sc.Agric. (Plant Sciences (Plant Breeding))--University of the Free State, 2007