Improving crop varieties of spring barley for drought and heat tolerance with AB-QTL-analysis

Abstract

In the years 2002-2003, 323 BC₂DH individuals of double haploid (DH) spring barley population were genotyped with SSRs markers. The BC₂DH lines were evaluated in greenhouse trials for drought and heat tolerance. Altogether 13 parameters for the determination of drought tolerance and 12 parameters for the investigation of heat tolerance were examined. There were two treatments for the drought experiment, 50% field capacity (FC) level for drought stress and at 100% FC level for the control. We used two treatments for the heat experiment (normal climate and in greenhouse). The traits measured were: relative leaf water content, osmotic adjustment, heading date, number of spikes per plant, number of kernels per spike, number of leaves per main tiller, flag leaf area, first leaf area, second leaf area, carbon isotope discrimination (for the drought experiment), yield, biomass and harvest index. The traits were compared to determine the presence of alleles from the wild barley parent by means of the AB-QTL-analysis. The 97 mapped SSRs covered 1013 cM of the barley genome; the mean SSR density is equal to 11.1 cM. Polymorphic SSRs revealed 54 putative QTLs in two groups. The first had 20 putative QTLs for the drought experiment and the second 34 putative QTLs for the heat experiment. Altogether, 30 (55.5%) favorable allele effects of the <em>Hsp</em> alleles were detected for both drought and heat experiment. 14 (70.0%) favorable effects were detected for drought tolerance. These traits, osmotic adjustment, yield, biomass, relative leaf water content, carbon isotope discrimination, number of leaves per main tiller and flag leaf area were controlled by 7, 3, 3, 3, 2, 1 and 1 QTL respectively, in the drought experiment. Most of the favorable <em>Hsp</em> alleles were located on chromosomes 1H, 5H and 7H (2, 8 and 3 respectively). Under drought stress first leaf area was positively and strongly correlated with flag leaf area. Positive correlations were expressed by second leaf area with flag leaf area and first leaf area. Yield was positively correlated with harvest index, number of spikes per plant and number of kernels per spike. Biomass showed correlations with number of spikes per plant, number of leaves per main tiller, flag leaf area, first leaf area, second leaf area and yield. 16 (47.0%) favorable effects of the <em>Hsp</em> alleles were detected for heat tolerance. Flag leaf area, osmotic adjustment, yield, harvest index, biomass, first leaf area, relative leaf water content, number of spikes per plant and heading date were controlled by 8, 7, 4, 4, 3, 3, 2, 2 and 1 QTL respectively, in heat experiment. Most of the QTLs were located on chromosomes 3H and 4H (3, and 5 respectively). Correlations of heading date with osmotic adjustment, and number of leaves per main tiller were strongly positive. Strong positive correlations were expressed by second leaf area with flag leaf area and first leaf area. Yield was positively and strongly correlated with harvest index.

<strong>Verbesserung der Trockenheits- und Hitzetoleranz von Sommergersten-Linien mit Hilfe der AB-QTL-Analyse</strong><br /> Während eines Versuches in den Jahren 2002 und 2003 wurde eine Sommergersten- BC₂DH- Population, die 323 BC₂DH- Einzellinien umfasste, mit 97 polymorphen SSR-Markern genotypisiert. Parallel wurden die BC₂DH-Linien in Gewächshausversuchen auf ihre Trockenheits- und Hitzetoleranz hin phänotypisch untersucht. Hierzu wurden im Trockenstressversuch 13 Merkmale und im Hitzestressversuch 12 Merkmale erhoben. Im Trockenstressversuch wurden zwei Behandlungen unterschieden: (1) Boden mit 50% Feldkapazität (FC) (zur Erzeugung von Trockenstress), (2) Boden mit 100% Feldkapazität (FC). Auch im Hitzestressversuch gab es zwei unterschiedliche Behandlungen: (1) Normales Klima, (2) Gewächshausklima. Die Linien wurden auf folgende Merkmale phänotypisch untersucht: relativer Wassergehalt des Blattes, osmotischer Druck, Zeitpunkt des Ährenschiebens, Anzahl der Ähren pro Pflanze, Anzahl der Körner pro Ähre, Anzahl der Blätter pro Trieb, Blattflächenindex des Fahnenblattes, Blattflächenindex des ersten Blattes, Blattflächenindex des zweiten Blattes, Ertrag, Biomasse und Harvest Index. Im Trockenstressversuch wurde zusätzlich das Merkmal Karbonisotopunterscheidung erhoben. Die Merkmalsdaten wurden mit dem Vorhandensein der Allele des Wildgerstenelternteils mittels der AB-QTL-Analyse verglichen. Die 97 genotypisierten SSRs decken 1013 cM des Gerstengenoms ab, wobei die mittlere SSR-Dichte 11,1 cM betrug. Die Karte Scarlett*ISR42-8 enthält vier Lücken mit einem Markerabstand von mehr als 30 cM, wobei die Lücken auf den Chromosomen 3H, 5H und 6H lokalisiert sind. Ingesamt wurden 54 putative QTLs detektiert, wobei 20 putative QTLs im Trockenstressversuch und 34 putative QTLs im Hitzestressversuch gefunden wurden. Insgesamt wurden 30 (55,5%) vorteilhafte QTL-Effekte des Wildformallels (<i>Hsp-</i>Allel) in beiden Versuch ermittelt. Für Trockentoleranz wurden 14 (70,0%) vorteilhaften QTL-Effekte des <i>Hsp-</i>Allels festgestellt. Hierbei wurden für die Merkmale Ertrag, Biomasse und relativer Wassergehalt jeweils drei QTLs, für die Merkmale Anzahl der Blätter pro Trieb und Blattflächenindex des Fahnenblattes je ein QTL und für das Merkmal osmotischer Druck sieben QTLs gefunden. Für das Merkmal Karbonisotopunterscheidung wurden zwei QTLs lokalisiert. Die meisten der vorteilhaften QTLs waren auf den Chromosomen 1H, 5H und 7H lokalisiert (2, 8 bzw. 3 QTLs). Unter Trockenstress war der Blattflächenindex des ersten Blattes positiv mit dem Blattflächenindex des Fahnenblattes und dem Blattflächenindex des zweiten Blattes korreliert. Das Merkmal Ertrag zeigte positive Korrelationen mit dem Harvest Index, der Anzahl der Ähren pro Pflanze und der Anzahl der Körner pro Ähre. Die Biomasse korrelierte mit der Anzahl der Ähren pro Pflanze, der Anzahl der Blätter pro Trieb, dem Blattflächenindex des Fahnenblattes, dem Blattflächenindex des ersten Blattes, dem Blattflächenindex des zweiten Blattes und dem Ertrag. Für Hitzetoleranz wurden 16 (47,0%) vorteilhafte QTL-Effekte des <i>Hsp-</i>Allels ermittelt. Dabei wurden für die Merkmale Blattflächenindex des ersten Blattes, relativer Wassergehalt des Blattes und Anzahl der Ähren pro Pflanze jeweils zwei QTLs lokalisiert. Für den Harvest Index und die Biomasse wurden je drei QTLs gefunden, wohingegen für das Merkmal Zeitpunkt des Ährenschiebens nur ein QTL ermittelt wurde. Für die drei Merkmale Blattflächenindex des Fahnenblattes, osmotischer Druck und Ertrag wurden acht, sieben bzw. vier QTLs gefunden. Die meisten der vorteilhaften QTLs waren auf den Chromosomen 3H und 4H lokalisiert (je 3 QTLs). Eine Korrelation konnte zwischen dem Zeitpunkt des Ährenschiebens und den Merkmalen osmotischer Druck und Anzahl der Blätter pro Trieb gemessen werden. Positiv korreliert waren außerdem der Blattflächenindex des zweiten Blattes mit Blattflächenindex des Fahnenblattes und des ersten Blattes. Der Ertrag zeigte einen positiven Zusammenhang mit dem Harvest Index.