Development of root phenotyping methods and QTL analysis of root traits in grapevine mapping populations

Abstract

Facing climatic change and upcoming extreme weather events require the adaptation of agricultural crops to conditions like extended drought periods in the future. Therefore, the incorporation of promising morphological and physiological qualities is necessary in crop breeding strategies. Regarding heat and drought, plant roots play an essential role for adequate water uptake and efficient exploitation of water resources in the soils. As plant roots are crucial for crop performance and yield, investigation of phenotypic root traits is a promising approach to promote breeding efforts. However, phenotyping of root systems has proven to be extremely challenging due to their hidden nature. In this study, grapevine adventitious root development from grapevine woody cuttings was investigated by three different phenotyping methods to identify QTL regions linked to grapevine adventitious root formation and root system characteristics.<br /> The first attempt of classifying early adventitious root formation on woody cuttings grown in perlite substrate resulted in the identification of four QTLs. To further investigate sub-traits of root formation, image-based analysis was envisaged. Therefore, a root phenotyping system based on rhizotrons suitable for high throughput root architecture screenings of mapping populations was developed and evaluated. The utilization of rhizotrons for root phenotyping provided a data rich basis for QTL mapping of two mapping populations and revealed 18 QTLs in total for root related traits and four QTLs for leaf area. Thirdly, certain genotypes of a grapevine mapping population grown in the field were analysed regarding root system characteristics resulting in four identified QTLs in total; three QTLs associated with root system characteristics and one QTL associated with shoot biomass. Finally, the three root system phenotyping methods were compared regarding their performance by examining the individual throughput potential, time and cost effort, number of measurable traits, as well as number and quality of resulting QTL regions.<br /> This study describes the development and analysis of phenotyping methods for grapevine root systems. It contributes to the identification of potential genomic regions and candidate genes involved in the regulation of adventitious root formation providing new insights relevant for breeding purposes and breeding research of grapevine rootstocks.

Der Klimawandel und zukünftig vermehrt auftretende Extremwetterereignisse erfordern die Anpassung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen an besondere klimatische Bedingungen wie anhaltende Dürreperioden. Daher müssen entsprechende morphologische und physiologische Eigenschaften in der modernen Pflanzenzüchtung berücksichtigt werden. Besonders die Entwicklung des Wurzelsystems ist entscheidend für Leistung und Ertrag der Nutzpflanzen. Im Hinblick auf Hitze und Trockenheit spielen die Wurzeln eine essenzielle Rolle für eine ausreichende Wasseraufnahme und effektive Verwertung der Wasserressourcen im Boden. Die phänotypische Untersuchung von Wurzeleigenschaften ist daher eine vielversprechende Strategie in der Pflanzenzüchtung, jedoch mit besonderen Schwierigkeiten verbunden, da Wurzeln unterirdisch wachsen und im Boden nur schwer zugänglich sind. In dieser Arbeit wurde die Entwicklung von Adventivwurzeln an Rebenstecklingen mit Hilfe drei verschiedener Phänotypisierungsmethoden untersucht, um QTL Regionen zu identifizieren, die assoziiert sind mit der Entstehung von Rebenwurzeln und verschiedenen Eigenschaften ihrer Wurzelsysteme.<br /> Zunächst wurden Holzstecklinge in Perlitsubstrat angezogen, um die Entstehung der Adventivwurzeln zu klassifizieren und die phänotypischen Daten zur QTL-Berechnung zu verwenden. Um die Merkmale der Wurzeln mit Hilfe von Bildanalyseverfahren genauer zu erfassen, wurde ein Phänotypisierungssystem basierend auf Rhizotronen entwickelt und evaluiert, das für die Anwendung von Hochdurchsatz-Screenings ganzer Kreuzungspopulationen geeignet war. Insgesamt wurden die Wurzeln von zwei Kreuzungspopulationen phänotypisiert und die folgende QTL-Berechnung ergab insgesamt 18 QTLs für Wurzelmerkmale und vier QTLs für die Blattfläche. In einem weiteren Feldversuch wurden ausgesuchte Genotypen der bereits getesteten Kreuzungspopulation bezüglich ihrer Wurzeleigenschaften untersucht. Durch diesen Feldversuch konnten vier QTLs identifiziert werden, davon waren drei assoziiert mit Wurzeleigenschaften und ein QTL assoziiert mit der Biomasse des Sprosses. Schließlich wurden alle drei Methoden zur Wurzelphänotypisierung an Reben bezüglich ihres Durchsatzes, des Kosten- und Zeitaufwands, der Anzahl und Qualität messbarer Wurzelmerkmale sowie der Anzahl gefundener QTL-Regionen verglichen.<br /> Die vorliegende Studie beschreibt die Entwicklung und Analyse der drei Phänotypisierungs-methoden an Rebenwurzeln. Sie liefert somit einen wichtigen Beitrag zur Identifikation von QTLs und potenziellen Kandidatengenen im Zusammenhang mit Wurzelwachstum und seiner Regulierung. Die so gewonnenen neuen Erkenntnisse tragen zum Fortschritt in der Züchtung und Züchtungsforschung an Rebenunterlagen bei.