Assessing the Genetic Diversity in Crops with Molecular Markers: Theory and Experimental Results with CIMMYT Wheat and Maize Elite Germplasm and Genetic Resources

Reif, Jochen Christoph

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Reif, Jochen Christoph

Assessing the Genetic Diversity in Crops with Molecular Markers: Theory and Experimental Results with CIMMYT Wheat and Maize Elite Germplasm and Genetic Resources

(Übersetzungstitel)

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-637
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2004/63/

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SWD-Schlagwörter:

Heterosis , Hybridzüchtung , Genetische Variabilität , Genetische Ressourcen

Freie Schlagwörter (Englisch):

Heterosis , Genetic resources , genetic diversity

Institut:

Institut für Pflanzenzüchtung, Saatgutforschung und Populationsgenetik

Fakultät:

Fakultät Agrarwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Landwirtschaft, Veterinärmedizin

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Melchinger, Albrecht Prof. Dr.

Quelle:

Crop Science, Theoretical and Applied Genetics

Sprache:

Englisch

Tag der mündlichen Prüfung:

15.09.2004

Erstellungsjahr:

2004

Publikationsdatum:

11.10.2004

Lizenz:

Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim ohne Print-on-Demand

Kurzfassung auf Englisch:

Genetic diversity is a valuable natural resource and plays a key role in future breeding progress. Germplasm collections as a source of genetic diversity must be well-characterized for an efficient management and effective exploitation. The advent of PCR-based molecular markers such as sim-ple sequence repeats (SSRs) has created an opportunity for fine-scale genetic characterization of germplasm collections. The objective of this research was to optimize the utilization of genetic re-sources conserved at the International Wheat and Maize Improvement Center (CIMMYT), with the aid of DNA markers.

Choice of suitable dissimilarity measures is important to facilitate the interpretation of findings from DNA marker studies on a theoretically sound basis. The objective of a theoretical study was to examine 10 dissimilarity coefficients widely used in germplasm surveys, with special focus on applications in plant breeding and seed banks. The distance and Euclidean properties of the dissimi-larity coefficients were investigated as well as the underlying genetic models. Application areas for different coefficients were suggested on the basis of the theoretical findings.

It has been claimed that plant breeding reduces genetic diversity in elite germplasm, which could seriously jeopardize the continued ability to improve crops. The objectives of the presented ex-perimental study with wheat were to examine the loss of genetic diversity during (i) domestication of the species, (ii) change from traditional landrace cultivars (LC) to modern breeding varieties, and (iii) intensive selection over 50 years of international breeding. A sample of 253 CIMMYT or CIMMYT-related modern wheat cultivars, LC, and Triticum tauschii accessions were characterized with up to 90 SSR markers covering the entire wheat genome. A loss of genetic diversity was ob-served from T. tauschii to LC and from LC to the elite breeding germplasm. Wheat genetic diver-sity was narrowed from 1950 to 1989, but was enhanced from 1990 to 1997. The results indicate that breeders averted the narrowing of the wheat germplasm base and subsequently increased the genetic diversity through the introgression of novel materials. The LC and T. tauschii contain nu-merous unique alleles that were absent in modern wheat cultivars. Consequently, both LC and T. tauschii represent useful sources for broadening the genetic base of elite wheat breeding germ-plasm.

In the 1980's, CIMMYT generated more than 100 maize populations and pools but little is known about the genetic diversity of this germplasm. The objective of the study with 23 CIMMYT maize populations was to characterize their population genetic structure with SSRs. The populations adapted to tropical, subtropical intermediate-maturity, subtropical early-maturity, and temperate mega-environments (ME) were fingerprinted with 83 SSR markers. Estimates of genetic differen-tiation between populations revealed that most of the molecular variation was found within the populations. Principal coordinate analysis based on allele frequencies of the populations revealed that populations adapted to the same ME clustered together and, thus, supported clearly the ME structure. Novel strategies were suggested to optimize the conservation of the genetic diversity within and among the populations.

Heterotic groups and patterns are of fundamental importance in hybrid breeding. The objective of the presented study with a subset of 20 out of the 23 maize populations was to investigate the rela-tionship between heterosis and genetic distance determined with SSR markers. The published data of three diallels and one factorial trial evaluated for grain yield were re-analyzed to calculate het-erosis in population hybrids. Correlations of squared modified Rogers distance and heterosis were mostly positive and significant, but adaption problems caused deviations in some cases. For popu-lations adapted to the target regions, genetic distance can be used as a further criterion in the search for promising heterotic patterns and groups. For intermediate- and early-maturity subtropical germ-plasm, two heterotic groups were suggested, consisting of a flint and dent composite. For the tropi-cal germplasm, it was possible to assign population (Pop29) to the established heterotic group A and propose new heterotic groups (Pop25, Pop43).

Our experimental results corroborate that SSRs are a powerful tool to (i) detect relationships among different germplasm, (ii) assess the level of genetic diversity present in germplasm pools and its flux over time, and (iii) search for promising heterotic groups for hybrid breeding in complementa-tion to field trials.

Kurzfassung auf Deutsch:

Die genetische Diversität ist für den zukünftigen Züchtungsfortschritt von zentraler Bedeutung. In Genbanken ist ein bedeutender Anteil der Diversität von Nahrungspflanzen konserviert. Eine optimale Erhaltung und bestmögliche Nutzung dieser genetischen Vielfalt bedarf einer fundierten Charakterisierung der vorhandenen Genotypen. DNA Marker stellen hierzu ein vielversprechendes Werkzeug dar. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit dem Einsatz von Markertechnologie zur Nutzbarmachung genetischer Ressourcen des Internationalen Mais- und Weizenforschungszentrums (CIMMYT) für die Pflanzenzüchtung.

Die Wahl eines geeigneten Ähnlichkeitskoeffizienten spielt bei der Interpretation von Ergebnissen aus DNA-Markerstudien eine entscheidende Rolle.In einer theoretischen Untersuchung wurden zehn häufig in Diversitätsanalysen benutzte Ähnlichkeitskoeffizienten im Hinblick auf ihre Eignung für Pflanzenzüchtungs- und Genbankstudien untersucht. Die den Ähnlichkeitskoeffizienten zugrundeliegenden mathematischen und genetischen Konzepte wurden detailliert diskutiert. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse konnten für die unterschiedlichen Koeffizienten Anwendungsgebiete vorgeschlagen werden.

Eine populäre Hypothese ist, dass Pflanzenzüchtung die genetische Diversität im Elitezuchtmaterial reduziert und somit den zukünftigen Zuchtfortschritt gefährdet. Ziel einer experimentellen Arbeit mitWeizen war, einen möglichen Diversitätsverlust zu untersuchen während (i) der Domestikation dieser Art, (ii) dem übergang von traditionellen Landsorten (LC) zu modernen Weizensorten (MWC) und (iii) 50 Jahren intensiver Selektion durch internationale Weizenzüchtung. Eine Stichprobe von 253 CIMMYT oder CIMMYT verwandten MWC, LC und Triticum Tauschii Akzessionen wurde mit 90 SSRs genotypisiert. Ein drastischer genetischer Diversitätverlust wurde beim Vergleich von T. tauschii mit den LR und LR mit den MWC beobachtet. Die genetische Vielfalt von MWC nahm von 1950 bis 1989 ab, stieg aber von 1990 bis 1997 wieder an. Die Befunde deuten darauf hin, dass die Weizenzüchter am CIMMYT die Gefahr einer Einengung der genetischen Basis erkannten und erfolgreich die genetische Diversität im Zuchtmaterial durch Introgression neuer Genressourcen erweiterten. Zahlreiche Allele waren in LC oder in T. tauschii vorhanden, die jedoch in MWC nicht gefunden wurden. Folglich stellen sowohl LC als auch T. tauschii eine wertvolle Ressource zur Erweiterung der genetischen Basis des Elitezuchtmaterials bei Weizen dar.

In den 80'er Jahren wurden am CIMMYT über 100 Maispopulationen etabliert. Allerdings ist wenig über die genetische Diversität dieses Pflanzenmaterials bekannt. Eine Untersuchung von 23 Maispopulationen zielte auf die Charakterisierung ihrer populationsgenetischen Struktur mit SSR Marker Daten ab. Insgesamt 672 Genotypen der Maispopulationen, adaptiert an tropische, subtropische und gemäßigte Anbauzonen (ME), wurden mittels 83 SSR Markern molekularbiologisch charakterisiert. Der größte Teil der genetischen Varianz wurde innerhalb der Maispopulationen detektiert und der geringere Teil zwischen den Populationen. Eine Hauptkoordinatenanalyse, basierend auf den Populationsallelfrequenzen, ergab eine Gruppierung von Populationen, die an die gleichen Umweltbedingungen adaptiert sind und stützt somit die Einteilung in ME. Es konnten alternative Strategien vorgeschlagen werden, um den Erhalt der genetischen Diversität zwischen und innerhalb der Populationen zu verbessern.

Heterotische Gruppen sind von grundlegender Bedeutung in der Hybridzüchtung. Eine Studie mit 20 der 23 Maispopulationen sollte die Beziehung zwischen Heterosis und genetischen Distanzen auf der Grundlage von SSR Markern untersuchen. Publizierte Ergebnisse für den Kornertrag von vier Experimenten mit diallelen bzw. faktoriellen Populationskreuzungen wurden reanalysiert und der Heterosiszuwachs der Populationshybriden berechnet. Die Korrelationen zwischen genetischen Distanzen und Heterosiszuwachs waren meist positiv und signifikant. Allerdings verursachten Adaptionsprobleme in einigen Fällen Abweichungen. Bei Populationen, die an die Zielumwelten angepasst sind, können genetische Distanzen zur Etablierung heterotischer Gruppen benutzt werden. Im subtropisch adaptierten Material wurden zwei heterotische Gruppen, bestehend aus einer Dent- und Flint-Mischpopulation, vorgeschlagen. Bei den tropischen Populationen konnte Population Pop29 in die bereits etablierte heterotische Gruppe A eingeordnet und zwei neue heterotische Gruppen (Pop25, Pop43) vorgeschlagen werden.

Nach den Ergebnissen dieser Studie sind SSR Analysen eine geeignete Methode, um (i) Verwandtschaftsbeziehungen aufzudecken, (ii) den zeitlichen Trend und die vorhandene genetische Diversität in Populationen zu untersuchen und (iii) vielversprechende heterotische Gruppen in Kombination mit Feldversuchen zu etablieren.