Verknüpfung von Genomforschung und genetischer Diversität: Assoziation zwischen Sequenzpolymorphismus und Merkmalsvariation in einer Sommergerstenkollektion

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-4343
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2010/434/

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SWD-Schlagwörter:		Gerste , Genetische Variabilität , Assoziation , Quantitatives Merkmal <Genetik> , Polymorphismus
Freie Schlagwörter (Deutsch):		Gametenphasenungleichgewicht , Assoziationskartierung , Hordeum vulgare
Freie Schlagwörter (Englisch):		linkage disequilibrium , association mapping , Hordeum vulgare
Institut:		Institut für Pflanzenzüchtung, Saatgutforschung und Populationsgenetik
Fakultät:		Fakultät Agrarwissenschaften
DDC-Sachgruppe:		Landwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart:		Dissertation
Hauptberichter:		Geiger, Hartwig H. Prof. Dr. agr.
Sprache:		Englisch
Tag der mündlichen Prüfung:		17.12.2009
Erstellungsjahr:		2009
Publikationsdatum:		09.06.2010
Lizenz:		Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim ohne Print-on-Demand
Kurzfassung auf Englisch:		Association 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 (<0.05) and therefore were rejected in the candidate gene-based association analysis. Pair-wise LD estimates between the detected SNPs revealed different intra-gene linkage patterns. The 45 SSR markers used for analysing the population structure revealed low intra- and interchromosomal LD (r²<0.2). Significant marker-trait associations between the candidate genes and the respective target traits were identified. The barley and wheat genes showed a high level of nucleotide identity (>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.
Kurzfassung auf Deutsch:		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 (<0,05) repräsentiert und wurde deshalb von der Assoziationsanalyse ausgeschlossen. Die LD-Werte zwischen den detektierten SNPs ergaben unterschiedliche Muster für die untersuchten Kandidatengene. Das LD zwischen den 45 genomweit verteilten SSRs, die zur Ermittlung der Populationsstruktur heranzgezogen wurden, wies ein geringes intra- und interchromosomales LD (r²<0,2) auf. In der Assoziationsanalyse konnten signifikante Marker-Merkmal-Assoziationen zwischen den Kandidatengenen und den entsprechenden Merkmalen nachgewiesen werden. Die vergleichende Analyse des Gersten- bzw. Weizengens zeigte ein hohes Maß an Nukleotididentität (>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.

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