Marker-trait-sensor association in a multi-parent advanced generation intercross (MAGIC) population in barley (<em>Hordeum vulgare </em>ssp<em>. vulgare</em>)

Abstract

The objective of the present study was to identify quantitative trait loci (QTL) for yield, yield components and water content in leaves as measured with the THz-sensor in a MAGIC population derived from eight different parents, the so called “founder of the German barley breeding”. The MAGIC double haploid (DH)-lines were genotyped with the Illumina 9K iSelect chip from TraitGenetics, Germany. Phenotypic values for 534 MAGIC DH-lines were scored in two consecutive years in an augmented designed pot experiment in a polytunnel under two different water conditions - well watered and terminal drought. <br /> QTL detection was carried out in SAS 9.2 with multi-locus analysis and cross validation which included marker, line nested in the marker genotype, treatment and their interaction. Epistatic interactions were calculated using the same program, including marker*marker interaction among others. Two mapping approaches were conducted, using either binary SNP marker data (BA), or haplotype information (HA) from each parent gained with R/mpMap. <br /> The QTL analysis of the DH-lines resulted in 108 putative QTL, 35 out of them mapped simultaneously with both approaches, four out of them with marker*treatment interaction allele effects. When the two approaches were compared, a greater power of allelic effect was detected with the HA. The best contributing parent could directly be assigned and multiple mean comparisons calculated. With this information, QTL QTkw.MAGIC.HA-2H.a could be identified as an improving QTL for thousand kernel weight under terminal drought conditions. The remaining allele effects for marker*treatment interaction did not differ significantly between the parental allelic mean determined with the haplotype approach. In comparison, the binary approach was able to map the allelic effects to smaller genetic intervals. Thus both mapping approaches have their advantages and disadvantages when applied to a multi-parent population, and therefore should be used in conjunction with each other when analysing this type of population. The results of epistatic interaction emphasised the importance of interaction between genomic regions in the characteristic value of agronomic traits. For the trait days to heading a reduction by 7.2 days was investigated by interaction between two regions. The genomic region on 5H, 206.4 cM was significantly involved, furthermore the marker sequence matched with that of a predicted protein sequence that regulates the phyto hormone auxin, which is involved in plant growth. Thus the present study demonstrates that the established MAGIC barley population is an important genetic resource and will be an ideal mapping population in which to investigate both, inheritance and interactions between gene regions.

<strong>Marker-Merkmal-Sensor Assoziation in einer multi-parent advanced generation intercross (MAGIC) Population in Gerste (<em>Hordeum vulgare </em>ssp<em>. vulgare</em>)</strong><br /> Im vorliegenden Projekt steht die Identifizierung von QTL bezüglich des Ertrags, Ertragskomponenten und für den Wassergehalt von Blättern, ermittel mit dem THz-Sensor, in einer acht Eltern MAGIC Population im Vordergrund. Dafür wurden 534 DH-Linien der MAGIC Population mit dem 9k iSelect chip von TraitGenetics, Germany, genotypisiert. Die Phänotypisierung erfolgte in zwei aufeinanderfolgenden Jahren in zwei Bewässerungsstufen - ausreichende Bewässerung und zeitlich begrenzter Wasserstress, in Topfversuchen in einem Folientunnel. Die QTL Kartierung wurde mit Hilfe von SAS 9.2 mit einer multi-locus Analyse und cross validation mit den Faktoren Marker, Bewässerung, DH-Linie genestet im Markergenotyp, und den entsprechenden Interaktionen durchgeführt. Epistatische Effekte wurden mit dem gleichen Modell unter Berücksichtigung der Marker*Marker Interaktion berechnet. Zwei unterschiedliche Auswertemethoden wurden zur QTL Kartierung verwendet, ein binäres Auswertesystem (BA) und die Haplotypeninformationen (HA) der acht Eltern ermittelt durch das Programm R/mpMap. <br /> Die QTL Kartierung mit beiden Auswertemethoden detektierte 108 putative QTL, davon 35 mit beiden Auswertemethoden, vier davon mit einer Marker*Bewässerung-Interaktion. Im Vergleich der Auswertemethoden konnte mit dem HA ein stärkerer Alleleffekt ermittelt werden, die allelischen Mittelwerte der Eltern berechnet, und dadurch Mittelwertvergleiche aller Eltern in allen Bewässerungsstufen berechnet werden. Mit Hilfe dieser Information konnte das QTL QTkw.MAGIC.HA-2H.a gemappt werden, welches ein vorteilhaftes Allel bezüglich Tausendkornzahl unter Trockenstress aufweist. Die restlichen allelischen Mittelwerte der Eltern aller QTL mit Marker*Bewässerung-Interaktion waren nicht signifikant zueinander. Mit dem BA konnte der genetische Effekt im Vergleich zu HA in ein kleineres genetisches Intervall gemappt werden. Beide Auswertemethoden haben Vor- und Nachteile, und sollten in einer Vielelternpopulation gemeinsam angewendet werden. Die Ergebnisse aus der Analyse der epistatischen Effekte hebt die Bedeutung dieses Phänomens zur Merkmalsausprägung von agronomischen Merkmalen hervor. Für den Blühzeitpunkt konnte eine Reduktion um 7,2 Tage im Zusammenspiel zweier Genorte berechnet werden. Dabei spielt die genomische Region auf 5H, 206,4cM eine wichtige Rolle, weiterhin stimmte die Markersequenz in dieser Region mit einer Sequenz für ein „predicted protein“ überein, welches Auxin reguliert, ein wichtiges Phytohormon im Pflanzenwachstum. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass MAGIC Populationen eine wichtige genetische Ressource bilden, um Vererbung und Interaktionen von Genregionen zu ermitteln.