TY - THES T1 - Experimental and simulation studies on introgressing genomic segments from exotic into elite germplasm of rye (Secale cereale L.) by marker-assisted backcrossing A1 - Susic,Zoran Y1 - 2006/01/19 N2 - 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. KW - Roggen KW - Genetische Ressourcen KW - Züchtung KW - NIL CY - Hohenheim PB - Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim AD - Garbenstr. 15, 70593 Stuttgart UR - http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2006/124 ER -