Genetic mapping of quantitative trait loci associated with arsenic tolerance and accumulation in rice (<em>Oryza sativa</em> L.)

Abstract

<strong>Genetische Kartierung von quantitativen Trait Loci im Zusammenhang mit Arsentoleranz und Akkumulation im Reis (<i>Oryza sativa</i> L.)</strong><br /> Reis (<em>Oryza sativa.</em> L) ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel der Welt, das von mehr als der Hälfte der Weltbevölkerung konsumiert wird und eine wichtige Rolle bei der Aufnahme von Mineral- und Nährstoffen in die Nahrungskette spielt. Die wichtigsten Reisanbaugebiete der Welt, insbesondere in Südasien, werden jedoch durch Arsen (As), einem unerwünschten toxischen Element, bedroht. Der Anbau von Reis in Bangladesch und Indien ist abhängig von As-kontaminierten Grundwasserquellen, die zur Bewässerung der Reisfelder eingesetzt werden, wodurch sich der As-Gehalt im Oberboden erhöht. Eine Anreicherung von As in Reispflanzen hat einen erheblich negativen Einfluss auf die Gesundheit von Mensch und Tier. Ein Verständnis der genetischen Grundlagen über die Toleranz von Reis gegenüber As sowie die Aufnahme von As in die Pflanze, wird nützliche Informationen für Züchter liefern, um As sichere Sorten zu entwickeln. Diese Arbeit ist in vier Hauptteile gegliedert: (I) Screening verschiedener Genotypen auf eine neue Quelle von As-Toleranz. Die Arsentoxizität führt zu signifikant negativen Reaktionen der Pflanzen, einschließlich reduzierter Keimfähigkeit, reduzierter Biomasse, verkümmertem Pflanzenwachstum, reduziertem Blattchlorophyllgehalt und einer erhöhten As-Konzentration im Spross. Unter Feldbedingungen, variiert die As-Anreicherung im Korn stark mit dem Genotyp. Im Allgemeinen waren die <em>Indica</em>-Unterarten toleranter als die der <em>Japonica</em>-Unterarten. (II) Entwicklung von zwei dauerhaft abgebildete Populationen unter Verwendung der Rückkreuzung. Die erste Population besteht aus 230 Rückkreuzungs-Linien, die von einer Kreuzung aus <em>Indica</em> × <em>Japonica</em>-Sorten abgeleitet und mit 6K Single Nucleotide Polymorphism (SNP) Beadchip genotypisiert sind. Die Population zwei besteht aus 563 Linien, die aus der Kreuzung zwischen einem gemeinsamen Elternteil und elf Spendereltern abgeleitet und mit einem abstimmbaren Genotypisierungs-by-sequencing (tGBS)-Ansatz genotypisiert wurden, was zu 55.239 SNPs führte. (III) Population eins wurde 18 Tage unter 10 ppm As-Toxizitätsstress phänotypisiert. In der zweiten Population wurden Linien, die von vier Kreuzungen aus den elf Kreuzungen abgeleitet wurden, für die Phänotypisierung unter 5, 10 und 15 ppm As-Stress für 18 Tage sowie als Feldscreening für zwei aufeinanderfolgende Saisons betrachtet. Die Anreicherung von As im Spross stand im direkten Zusammenhang zu der As-Konzentration der Behandlung. Unter Feldbedingungen war der As-Gehalt in der Pflanze während der Trockenzeit deutlich höher im Vergleich zur Regenzeit. (IV) Quantitative Trait Locus (QTLs) Mapping für die mit As verbundenen Traits wurden mittels Assoziationsanalyse durchgeführt. Die Marker-Trait-Zuordnung wurde für As-bezogene Merkmale bestimmt. QTLs wurden auf mehreren Chromosomen (1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11 und 12) nachgewiesen, was auf eine komplexe genetische Struktur für die Toleranz gegenüber As-Toxizität hinweist. Zehn QTLs wurden für relativ tolerante Merkmale kartiert, sechs QTLs für den As-Gehalt im Spross, zwei QTLs für As-Gehalt im Pflanzenwurzel und zwei QTLs für As-Gehalt im Korn. Mehrere gemeinsame Loci wurden unter den Toleranzmerkmalen und dem As-Gehalt im Spross gefunden. QTLs, die auf den Chromosomen 8 und 6 kartiert waren, stimmten mit der vorherigen Studie überein und wurden für die As-Konzentrationen im Korn zum Reifestadium sowie für die Phosphor (P)-Konzentrationen im Keimlingsstadium, kolokalisiert.

Rice (<em>Oryza sativa.</em> L) is one of the world’s most important staple crops, consumed by more than half of the world’s population, and it plays a significant role in the entry of mineral nutrients into the food chain. Arsenic (As) is an unwanted toxic mineral that threatens the major rice-growing regions in the world, especially in South Asia. Rice production in Bangladesh and India depends on As-contaminated groundwater sources for irrigating paddy fields and in the presence of elevated amounts of As in the topsoil. Arsenic accumulating in rice plants has a significant negative effect on human and animal health. Understanding the genetic basis of As tolerance and uptake in rice will provide useful information for the breeders to develop As safe varieties. This thesis is structured into four major parts: (I) screening diverse genotypes for a new source of As tolerance. Arsenic toxicity leads to significantly negative plant responses, including reduced germination ability, reduced biomass, stunted plant growth, reduced leaf chlorophyll content, and increased shoot As concentration. Under field condition, As accumulation in grain vary considerably with the genotype. In general, <em>Indica</em> subspecies were more tolerant than those from the <em>Japonica</em> subspecies. (II) Development of two permanent mapping populations using backcross breeding approach. Population one consist of 230 backcross lines derived from a cross between <em>Indica</em> × <em>Japonica</em> varieties and genotyped with 6K single nucleotide polymorphism (SNP) Bead chip. Population two consist of 563 lines derived from the cross between one common parent and eleven donor parents. Genotyped with tunable genotyping-by-sequencing (tGBS) approach resulting in 55,239 SNPs. (III) Population one was phenotyped under 10 ppm As toxicity stress for 18 days. In the second population, lines derived from the four crosses out of eleven crosses were considered for phenotyping under 5, 10 and 15 ppm As stress for 18 days and field screening was carried out for two consecutive seasons. As accumulation is shoot was directly proportional to As concentration in the treatment. In field conditions As content in the plant was considerably high in the dry season than the wet season. (IV) Quantitative trait locus (QTLs) mapping for As related traits was carried using association analysis. Marker-trait association was determined for As-related traits. QTLs were detected on several chromosomes (1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11 and 12) indicating a complex genetic structure for As toxicity tolerance. Ten QTLs were mapped for relative tolerant traits, six QTLs for As content in shoots, two QTLs for As content in plant root and two QTLs for As content in grain. Several common loci were found among the tolerance trait and As content shoot traits. QTLs mapped on chromosome 8 and 6 were found to be consistent with a previous study and co-localized for As concentrations in grain at maturity and shoot phosphorus (P) concentrations at the seedling stage.