QTL Analysis for Drought Tolerance Related to Root and Shoot Traits in Barley (<em>Hordeum vulgare </em>L.)

Abstract

Enhancement of drought tolerance of cultivated barley via identifying the potential and beneficial QTL alleles of wild species (<em>H. vulgare ssp. spontaneum</em> C. Koch) is a great target in barley breeding. Therefore, the overall objectives of the proposed study were: 1) to assess variations in shoot, root and physiological traits of BC2DH lines under control and drought stress conditions. 2) to localize and characterize the QTLs underlying drought tolerance related to shoot, root and physiological traits. Mapping was conducted using a combination of phenotypic data of three investigated years and 371 DNA markers. This investigation was done under control and drought stress conditions. Components of variance revealed a wide range of variability for majority of the investigated traits. In total, 79 putative QTLs for 15 studied traits were detected among 5,565 marker by trait combinations in the population S42 under study. They can be divided into 55 QTLs for shoot traits, 15 QTLs for root traits and 9 QTLs for physiological traits. Overall 27 (34.1 %) QTLs showed favorable effects derived from the presence of exotic alleles. Most of putative QTLs were located on chromosomes 1H, 2H, 4H and 5H. For instance, two QTLs (<em>QWS.S42.1H </em>and<em> QWS.S42.4H</em>) had favorable effects due to the presence of the exotic alleles (Hsp) that were responsible for decreasing plant wilting score by 17%. The SSR markers GMS3 [2H], HvNAM2 [2H] and M1o [4H] were associated with QTLs are likely to be dominating number of tillers/plant and number of spikes/plant and the introgressions from wild barley may increase both traits in S42 population. Also for root length, the vernalisation gene VrnH1[5H] was associated significantly with the QTL (<em>QRL.S42.5H</em>). The presence of exotic alleles at this marker locus led to increase root length by 9.17 % under drought conditions. For proline accumulation, the superior performance of exotic allele at marker locus MGB338 on chromosome 5H suggests a transgression effect of the exotic alleles and led to increase proline content BC₂DH lines carrying Hsp alleles by 53% under drought conditions. The majority of the digenic epistatic interaction pairs which were detected in current study had favorable effects in enrich the phenotypic values of the studied traits. Interesting, these exotic QTL alleles responded favorably under drought conditions only that indicates the possibility of underlying a novel drought inducible gene. This study has highlighted the role of the exotic alleles for the detection of favorable leads for drought tolerance. Subsequently, a combinatory approach for the selection of favorable exotics alleles can be employed to develop a better shield against the adverse effects of drought.

QTL-Analyse für Trockentoleranz relevante Wurzel-und Sproßmerkmale bei Gerste (<em>Hordeum vulgare</em> L.)<br /> Die Verbesserung der Trockentoleranz von Kulturgerste durch die Identifizierung positiver QTL-Allele von Wildgersten (<em>H. vulgare ssp. spontaneum</em> C. Koch) ist ein großes Ziel in der Gerstenzüchtung. Daher waren die übergeordneten Ziele der geplanten Studie: 1) Variation in Sproß, Wurzel und physiologischen Eigenschaften von BC2DH-Linien unter kontrollierten und trockengestressten Bedingungen zu beurteilen. 2) Lokalisierung und Charakterisierung QTLs bezüglich Trockentoleranz . Die Kartierung wurde unter Verwendung von phänotypischen Daten aus drei Versuchsjahren und 371 DNA-Marker durchgeführt. Die phänotypischen Daten wurden unter kontrollierten und trockenstressbedingten Bedingungen durchgeführt. Die Varianzkomponentenanalyse zeigt ein breites Spektrum an Variabilität für die Mehrheit der untersuchten Merkmale. Insgesamt konnten 79 putative QTLs für 15 untersuchte Merkmale unter 5565 Marker x Merkmal Kombination in der Gerstenpopulation S42 nachgewiesen werden. Diese könne in 55 QTLs für Sproßlmerkmale, 15 QTLs für Wurzelmerkmale und 9 QTLS für physiologische Merkmale unterteilt werden. Insgesamt 27 QTLs zeigten positive Effekte aufgrund der Anwesenheit von exotischen Allelen. Die meisten der vermutlichen QTLs wurden auf den Chromosomen 1H, 2H, 4H und 5H lokalisiert. Zum Beispiel hatten zwei QTLs (QWS.S42.1H und QWS.S42.4H) positive Effekte durch exotische Allele bezüglich verminderte Welke um 17%. Die SSR-Marker GMS2 (2H), HvNAM2(2H) und M1o(4H) sind assoziiert mit QTls bezüglich Anzahl Triebe/Pflanze und Anzahl Ähren/Pflanze und die Introgression des Wildgerstenalleles ermöglicht die Erhöhung beider Merkmale in der S42 Population. Für das Merkmal Wurzellänge und das Vernalisationsgen VrnHi[5H] ergaben sich Signifikanzen mit dem QTL (<em>QRL.S42.5H</em>). Die Anwesenheit des exotischen Allels an diesem Markerlocus bewirkte eine Zunahme des Wurzelwachstums um 9,17% unter Trockenstress Die Anwesenheit des exotischen Allels für Marker MGB338 auf Chromosom 5H führte zu erhöhten Prolingehalten in den <em>Hsp</em>-tragenden BC₂DH-Linien um 53%. Die Mehrheit der epistatischen Effekte, die in dieser Studie nachgewiesen wurden, hatten positive Auswirkungen auf den phänotypischen Wert. Interessanterweise reagierten die exotischen Allele nur positiv bei trockengestressten Bedingungen, welches auf Trockenstress induzierbare Gene schließen lässt. Die Studie unterstreicht die Bedeutung von exotischen Allelen im Zusammenhang mit Trockenstress. Anschließend kann ein kombinatorischer Ansatz für die Selektion auf exotische Allele für die negativen Auswirkungen des Trockenstresses angewendet werden.