Recreating genomically stable rapeseed

Abstract

Rapeseed (<em>Brassica napus</em>, AACC) is a young allotetraploid species formed by the hybridization of <em>Brassica rapa</em> (AA) and <em>Brassica oleracea</em> (CC). The genetic diversity of rapeseed is limited as a result of few hybridization events between diploid progenitor genotypes as well as intense breeding selection for oil quality traits. One possible way to increase the genetic diversity is by generating resynthesized <em>B. napus</em> lines via interspecific hybridization of the diploid progenitor species <em>B. rapa</em> and <em>B. oleracea</em>. However, resynthesized <em>B. napus</em> lines are often meiotically unstable and infertile, unlike natural <em>B. napus</em>, which is both fertile and stable. This prevents their long-term maintenance and direct use in breeding programs. One hypothesis is that meiotic stability in established <em>B. napus</em> may have arisen through the inheritance of specific alleles from their diploid progenitors. This hypothesis was tested by assessing copy number variation and fertility of 41 early generation (S₁) resynthesized lines with SNP genotyping information produced from crosses between eight <em>B. rapa</em> and eight <em>B. oleracea</em> genotypes. Subsequently, eight <em>B. rapa</em> and five <em>B. oleracea</em> parent accessions were resequenced and nineteen resynthesized <em>B. napus</em> lines were analysed for allelic variation in a list of meiosis gene homologs. A second group of resynthesized <em>B. napus</em> material; a large diverse set of 140 lines including early (S₁) and advanced generation resynthesized genotypes produced by crosses between <em>B. rapa</em> and <em>B. oleracea</em> as well as between <em>B. rapa</em> and wild C genome species (<em>B. incana, B. hilarionis, B. montana, B. bourgeaui, B. villosa</em>, and <em>B. cretica</em>) was assessed for purity (homozygosity), fertility, and genome stability. SNP genotyping was performed using the Illumina Infinium Brassica 60K array with at least three individuals per line for 116 genotypes. Three major results were obtained in this thesis. Firstly, the identification of 13 putative meiosis candidate genes with presence of putatively harmful mutations and which significantly affect the frequency of copy number. Second is the observation of 8 genomically stable resynthesized <em>B. napus</em> lines. Furthermore, fertility and genome stability of resynthesized lines were genotype dependent and were significantly affected by the interactions between both <em>B. rapa</em> and <em>B. oleracea</em> parental genotypes. The results obtained in this thesis suggests that meiotic stability in established <em>B. napus</em> arose via selection of specific alleles inherited from its diploid progenitor species. This information is useful to breeders who aim to use resynthesize lines as direct breeding materials or for the introgression of useful traits into elite <em>B. napus</em> cultivars. The observation of a few stable and fertile resynthesized lines shows that it is possible to maintain resynthesized <em>B. napus</em> as useful germplasm resource for research and breeding.

Raps (<em>Brassica napus</em>, AACC) ist eine junge allotetraploide Art, die aus der Hybridisierung von <em>Brassica rapa</em> (AA) und <em>Brassica oleracea</em> (CC) hervorgegangen ist. Die genetische Vielfalt des Rapses ist aufgrund der wenigen Hybridisierungsereignisse zwischen den diploiden Vorläufergenotypen sowie der intensiven züchterischen Selektion auf Ölqualitätsmerkmale begrenzt. Eine Möglichkeit, die genetische Vielfalt zu erhöhen, besteht in der Erzeugung von resynthetisierten <em>B. napus</em>-Linien durch interspezifische Hybridisierung der diploiden Vorläuferarten <em>B. rapa</em> und <em>B. oleracea</em>. Resynthetisierten <em>B. napus</em>-Linien sind jedoch häufig meiotisch instabil und unfruchtbar, im Gegensatz zur Natürlischen <em>B. napus</em>, die sowohl fruchtbar als auch stabil ist. Dies verhindert ihre langfristige Erhaltung und Direkte Verwendung in Zuchtprogrammen. Eine Hypothese besagt, dass die meiotische Stabilität in etablierte <em>B. napus</em> durch die Vererbung spezifischer Allele aus ihren diploiden Vorfahren entstanden sein könnte. Diese Hypothese wurde getestet, indem die Kopienzahlvariation und die Fruchtbarkeit von 41 resynthetisierten Linien der ersten Generation (S₁) mit SNP-Genotypisierungsinformationen aus Kreuzungen zwischen acht <em>B. rapa</em>- und acht <em>B. oleracea</em>-Genotypen bewertet wurden. Anschließen wurden acht <em>B. rapa</em>- und fünf <em>B. oleracea</em>-Elternakzessionen resequentiert und neunzehn resynthetisierten <em>B. napus</em>-Linien auf allelische Variation in einer Liste von Meiosegen-Homologie analysiert. Eine zweite Grüppe von resynthetisiertem <em>B. napus</em>-Material eine Große Vielfalt von 140 Linien darunter frühe (S₁) und fortgeschrittene Generationen von resynthetisierten Genotypen, die durch Kreuzungen zwischen <em>B. rapa</em> und <em>B. oleracea</em> sowie zwischen <em>B. rapa</em> und wilden C-Genom-Arten (<em>B. incana, B. hilarionis, B. montana, B. bourgeaui, B. villosa</em>, und <em>B. cretica</em>) erzeugt wurden, wurde auf Reinheit (Homozygotie), Fruchtbarkeit und Genomstabilität untersucht. In dieser Arbeit wurde zwei wichtige Ergebnisse erzielt. Erstens die Identifizierung von 13 mutmaßlichen Meiose-Kandidatengenen, in denen mutmaßlich schädliche Mutationen vorhanden sind und die die Haüfigkeit der Kopienzahl erheblich Beeinflussen. Zweitens die Beobachtung von acht genomisch stabilien resynthetisierten <em>B. napus</em>-Linien. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse lassen vermuten, dass die meiotische Stabilität in der etablierten <em>B. napus</em> durch die Selektion spezifischer Allele, die von den Diploiden Vorgängerspezies geerbt wurden, entstanden ist. Die Beobachtung einniger stabiler und fruchtbarer resynthetisierter Linien zeigt, dass es möglich ist, resynthetisierte <em>B. napus</em> als nützliche Keimplasma-Ressource für Foschung und Züchtung zu erhalten.