Association Mapping of QTLs for Fusarium Head Blight Tolerance in a Structured Barley Population

Abstract

Fusarium head blight (FHB) disease is one of the most challenging crop diseases; it reduces kernel weight, cause significant yield losses and quality reductions that may occur if fungal mycotoxins, especially deoxynivalenol (DON) are produced in infected seed. DON contamination has raised serious food safety concerns. Furthermore, straw of barley or wheat may be consumed by livestock could contain significant amounts of DON in chaff. Association mapping of a trait is to identify chromosomal regions that contain genes affecting the trait. The discovery of dense polymorphic markers covering the entire genome provides us an opportunity to localize these regions by trying to find the markers closest to the genes of interest. <br /> Association mapping was conducted in a structured barley population consists of (103 accessions of wild barley (<em>H. vulgare ssp. spontaneum</em>) core collection and 21 spring barley cultivars (<em>H. vulgare ssp. vulgare</em>)) in this study for identification of promising tolerance QTLs in barley against FHB. These experiments were carried out in the green-house during years 2009, 2010 and 2011 and under field-potted conditions in 2011, arranged in a completely randomized design with five replications, by using two different ways of scoring for disease infection leaves disease scoring (LDS) and spikes disease scoring (SDS) and two different fungus isolates. Heading date (HD) also had been recorded as a related trait for FHB in 2011. The accessions were genotyped by using 895 Diversity Arrays Technology (DArT) markers. Structure analysis was carried out for the all accessions using principal component analysis (PCA) the accessions were divided into 3 clusters and the relative kinship coefficients (K matrix) among all pairs of accessions were calculated by “SPAGeDi-1.3d” Software. The association analysis was performed in mixed linear model (MLM) including PCA values and K matrix. All studied traits LDS, SDS and HD were exhibited highly significantly differences in three years. Results from combined means in two years and two isolates showed that; 18 accessions had lower than 20 infection percentage for LDS and 48 accessions had lower than 20 infection percentage, 9 accessions from this group were lower than 10 infection percentage for SDS. Positive and significant phenotypic correlation has been recorded between LDS and SDS and negative correlation also have been recorded between SDS and HD in 2011. Seventy three markers were correlated significantly with all studied traits and covered the whole genome of the studied population. Different QTLs have been identified for LDS, leaves disease scoring isolates in 2011 (LDSI), SDS, spikes disease scoring isolates in 2011 (SDSI), visual leaves disease scoring (VS), HD, marker isolate interaction within leaves disease scoring (MILDS) and marker isolate interaction within spikes disease scoring (MISDS). Some of these QTLs were identified in two traits; marker bPb-0522 detected to SDSI and MISDS and also marker bPb-6466 detected to LDS and MILDS. Few of this QTLs were identified for two traits in the same/nearly position on the chromosome; in the position 122.08 cM on chromosome 6H two markers (bPb-4379 and bPb-3375) were identified to be associated with SDS and HD. Also in chromosome 2H on 70.8 cM two markers detected to LDS and SDS. In the study a mixed model was tested for the epistatic interaction between all DArT markers and studied traits. Interactions were detected between 11 pairs of QTLs for FHB resistance/tolerance and one interaction for heading date, which involved 24 QTLs on 6 chromosomes. The results indicated that barley FHB resistance/tolerance is a complicated trait and may be controlled by a complicated gene network.

Ährenfusariosen (FHB) verursachen eine der am schwierigsten zu bekämpfenden Pflanzenkrankheiten. Es reduziert das Korngewicht, führt zu erheblich Ertragsausfällen und Qualitätseinbußen die auftreten, wenn Mykotoxine und insbesondere Deoxynivalenol (DON) im infizierten Samen produziert werden. DON Kontaminationen geben auch in der Lebensmittelsicherheit Anlass zur Besorgnis. Darüber hinaus könnte Gersten- oder Weizenstroh, das als Viehfutter dient signifikante Mengen von DON im Spreu enthalten. Association mapping eines Merkmals dient zur Identifizierung einer chromosomalen Region, deren Gene die untersuchte Information enthalten. Die Entdeckung von immer mehr polymorphen Markern über das gesamte Genom gibt uns die Möglichkeit mit deren Hilfe Regionen zu lokalisieren, die nah an den interessanten Genen liegen. <br /> Ein association mapping in Gerste wurde zur Identifizierung von vielversprechenden Toleranz QTLs gegen FHB durchgeführt. Dazu diente eine Gerstenpopulation bestehend aus 103 Wild forms (<em>H.</em><em> vulgare</em> ssp. <em>spontaneum</em>) als "Core Collection" und 21 Sommergerstensorten (<em>H.</em><em> vulgare</em> ssp. <em>vulgare</em>). Die Experimente wurden in den Jahren 2009, 2010 und 2011 im Gewächshaus und unter Feldbedingungen im Jahr 2011durchgeführt. In fünf Wiederholungen wurden die Experimente in einem vollständig zufälligen Design angeordnet und anschließend mit zwei verschiedenen Pilz-Isolaten infiziert. Die Auswertung der Infektionsstärke wurde mit leaves disease scoring (LDS) und spikes disease scoring (SDS) durchgeführt. Im Jahr 2011 wurde auch der Tag des Ährenschiebens (HD) als verwandtes Merkmal für FHB Infektion mit in die Untersuchungen aufgenommen. Die Erfassung der genetischen Informationen wurden mit 895 Diversity Array Technology (DArT) Markern vorgenommen. Eine Strukturanalyse wurde für alle Genotypen mittels Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt und konnte diese in 3 Cluster aufteilen. Der relative Verwandtschaftskoeffizient (K-Matrix) unter allen Genotypen wurde mit der "SPAGeDi-1.3d" Software berechnet. Die Assoziationsstudie wurde in einem mixed linear model (MLM) unter Berücksichtignug der PCA-Werte und der K-Matrix durchgeführt. Alle untersuchten Merkmale LDS, SDS und HD zeigten hochsignifikant Unterschiede in den drei Jahren. Wenn man die Mittelwerte aus zwei Jahren und zwei Isolaten kombiniert kann gezeigt werden, dass 18 Genotypen einen Befall von weniger als 20% für LDS aufwiesen. Nach der Datenerfassung mit dem SDS konnten 48 Genotypen mit einen Befall von weniger als 20% und 9 mit einem Befall von weniger als 10% bewertet werden. Positive und signifikante phänotypische Korrelationen konnten zwischen LDS und SDS berechnet werden. Eine negative Korrelationen zeigte sich zwischen SDS und HD im Jahr 2011. Dreiundsiebzig Marker korrelierten signifikant mit allen untersuchten Merkmalen und waren über das gesamte Genom der untersuchten Population verteilt. Verschiedene QTLs konnten für LDS, leaves disease scoring isolates in 2011 (LDSI), SDS, spikes disease scoring isolates in 2011 (SDSI), visual leaves disease scoring (VS), HD, marker isolate interaction within leaves disease scoring (MILDS) und marker isolate interaction within spikes disease scoring (MISDS) identifiziert werden. Einige QTLs wurden in zwei Merkmalen identifiziert. Marker bpb-0522 wurde mit SDSI und MISDS und der Marker bPb-6466 durch LDS und MILDS nachgewiesen. Einige dieser QTLs wurden für zwei Merkmale auf der selben, beziehungsweise nahezu der gleichen Position auf dem Chromosom identifiziert. Auf der Position 122,08cM auf Chromosom 6H wurden zwei Marker (bPb-4379 und bPb-3375) die mit SDS und HD assoziieren entdeckt. Auch im Chromosom 2H auf 70,8 cM wurden zwei Marker für LDS und SDS erkannt. In der Studie wurde ein mixed model für die epistatische Interaktion zwischen allen DArT Markern und den untersuchten Merkmalen getestet. Wechselwirkungen zwischen 11 Paaren von QTLs für FHB Resistenz, beziehungsweise Toleranz und eine Interaktion zu dem Beginn des Ährenschiebens, an dem 24 QTLs auf sechs Chromosomen beteiligt sind wurden erkannt. Die Ergebnisse zeigten, dass Gerste FHB Resistenz und Toleranz eint kompliziertes Merkmal ist und durch eine kompliziertes Gen Netzwerk gesteuert wird.