Genetic and physiological characterization of traits related to salinity tolerance in an advanced backcross population of wheat

Abstract

In large areas of the world wheat production is highly affected by soil salinity. Increasing the genetic variability of currently used wheat varieties is an efficient approach to overcome production losses and prevent food insecurity. Synthetic hexaploid wheat is widely regarded as donor of favorable exotic alleles with respect to tolerance against biotic and abiotic stress factors such as salinity stress. The objective of the present study was to identify genomic regions, which contribute to salinity tolerance at various growth stages in wheat. Therefore, the 151 advanced backcross lines (AB-lines) of the winter wheat population “Z86” (BC₂F_3:7), containing introgressions of the synthetic hexaploid wheat Syn86L in the background of the German elite cultivar Zentos, were employed in this study. Salt stress experiments were conducted at germination and seedling stage as well as under field conditions with natural salinization in Uzbekistan in three consecutive years. At various growth stages, the AB-lines of the Z86 population and their parents were differently affected by salt stress. At the same molar concentration of salts, the impact of sodium sulfate (Na₂SO₄) on plants growth was higher than of sodium chloride (NaCl). Notably, for most studied parameters the recurrent elite parent Zentos was performing better than the synthetic parent Syn86, the donor of exotic alleles. In respect to root and shoot length Syn86 surpassed the elite cultivar. <br /> In this study, several non-destructive sensor technologies were used which allow accurate and continuous monitoring of morpho-physiological parameters of plants exposed to salinity stress. These data present the first report of a dual-mode microwave resonator which was allowing accurate estimation of water content as well as the ionic conductivity in leaves of mono- and dicotyledonous plants. Additionally, measurement of the photosynthetic rate of plants exposed to salt shock revealed highly significant genotype by treatment interaction effect 20 minutes after initiation of salt stress, where Zentos was performing better than Syn86.<br /> In order to detect genomic regions associated with the measured traits under salinity stress the Z86 population was genotyped using the iSelect 90K chip. After data cleaning 11,050 polymorphic SNP marker remained which were applied for quantitative trait loci analysis (QTL) for the 48 studied traits. Using SAS 9.4 the multi-locus approach incorporated in the hierarchical QTL model was able to reduce the number of false-positive putative QTL and hence endorsed the power of detected true QTL. In summary, 116 QTL main effects (including QTL with epistatic effects) and 165 QTL for marker by treatment interaction (including QTL with epistatic by treatment interaction) were detected. One of the major QTL showing pleiotropic effects, among them on shoot dry weight under salinity stress, was found on the short arm of chromosome 7D at 29.97 cM. <em>In-silico</em> analysis of the QTL chromosome region revealed a gene coding for <em>TaGSTu3</em>, an enzyme belonging to the <em>tau</em>-class of the glutathione S-transferase family (GST). GSTs are well known for their role in detoxification of reactive oxygen species (ROS) in plants, which is highly increased under salinity stress. Gene expression analysis at three time-points during the seedling stage (10, 16 and 30 days after salt application) revealed higher expression of <em>TaGSTu3</em> in Zentos under salinity stress and decreased expression in the comparing parent Syn86. This is the first report of a<em>tau</em>-class GST found to contribute significantly to salinity tolerance in wheat. <br /> The present study successfully identified QTL from elite cultivar Zentos as well as from the donor germplasm Syn86.The detected favorable alleles introgressed in the AB-lines of the Z86 population can be directly employed in breeding programs via marker-assisted selection for efficiently breeding cultivars with improved salinity tolerance and desired agronomic traits.

<strong>Genetische und physiologische Charakterisierung von Merkmalen im Bezug auf Salztoleranz in einer Rückkreuzungspopulation von Weizen</strong><br /> Die Versalzung der Böden beeinträchtigt in weiten Teilen der Welt die Weizenproduktion. Zum Ausgleich von hohen Ertragseinbussen, bzw. zur Sicherung der Ernährung der Bevölkerung, könnte eine zunehmende genetische Variabilität von aktuell genutzten Weizensorten einen effizienten Lösungsansatz bieten. Synthetischer hexaploider Weizen wird als Quelle von nützlichen exotischen Allelen im Hinblick auf Toleranzen gegenüber biotischen und abiotischen Stressfaktoren, wie etwa Salzstress angesehen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Lokalisation von genomischen Regionen, die zur Salztoleranz von Weizen in verschiedenen Entwicklungsstadien beitragen. Dazu wurden 151 AB-Linien (Advanced Backcross) der Winterweizenpopulation "Z86" (BC₂F_3:7) untersucht, welche vorteilhafte Gene des synthetischen hexaploiden Weizens Syn86L im Hintergrund der deutschen Eliteweizensorte Zentos beinhaltet. Experimente unter Salzstress wurden sowohl im Keimungs- und Jungpflanzenstadium, als auch unter natürlichen Bedingungen in Usbekistan in drei aufeinanderfolgenden Jahren auf Feldern mit hoher Salinität durchgeführt. Die AB-Linien als auch ihre Eltern waren zu unterschiedlichen Entwicklungsstadien verschieden stark vom Salzstress betroffen. Bei Natriumsulfat (Na₂SO₄) führte die gleiche molare Salzkonzentration zu einer stärkeren Schädigung der Pflanzen als bei Natriumchlorid (NaCl). Bei den meisten untersuchten Parametern schnitt der rekurrente Eliteelter Zentos besser ab als der synthetische Elter Syn86. Nur im Hinblick auf Wurzel- und Sprosslänge übertraf Syn86 den Kulturweizen. Für dieses Projekt kamen verschiedene nicht-invasive Sensortechnologien zum Einsatz, welche ein akkurates und kontinuierliches Beobachten der morphophysiologischen Parameter bei den gestreßten Pflanzen erlaubten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Dual-Mode Mikrowellensensor präsentiert, der zerstörungsfrei sowohl den Wassergehalt, als auch die Ionenleitfähigkeit von mono- und dikotylen Pflanzen erfasst. Außerdem wurden in dieser Arbeit erstmalig Daten von Weizenpflanzen präsentiert, die einem plötzlichen Salzschock zugeführt wurden. Hierbei konnte festgestellt werden, dass genotypisch signifikante Unterschiede 20 Minuten nach der Initiation von Salzstress feststellbar waren, wobei Zentos höhere Photosyntheseraten aufzuweisen hatte als Syn86.<br /> Um genomische Regionen zu detektieren, die mit den untersuchten Merkmalen unter Salzstress assoziieren, wurde die Z86-Population mit dem iSelect 90K Chip genotypisiert. Die nach der Datenreinigung verbliebenen 11.050 polymorphen Single-Nucleotide Polymorphism (SNP) Marker wurden im Rahmen der Quantitative Trait Loci (QTL) Analyse für die 48 untersuchten Merkmale verwendet. Durch Verwendung von SAS (Version 9.4) wurde das Multi-Locus-Verfahren in das hierarchische QTL-Model eingebunden, um die Zahl der Falsch-positiven QTL zu reduzieren und dadurch die Aussagekraft der echten QTL zu verstärken. Hierbei wurden insgesamt 116 QTL für Haupteffekte (inklusive QTL mit epistatischen Effekten) und 165 QTL für die Interaktion mit der Behandlung (inklusive QTL mit epistatischen Effekten in Interaktion mit der Behandlung) detektiert. Ein bedeutendes QTL mit pleiotropischen Effekten (u.a. für das Sprosstrockengewicht unter Salzstress) wurde auf dem kurzen Arm des Chromosoms 7D mit der Position 29,87 cM gefunden. <em>In-silico</em>-Analyse der QTL-Region des Chromosoms ergab ein Gen, das für <em>TaGSTu3</em>, ein Enzym der <em>tau</em>-Klasse aus der Familie Glutathion-S-Transferasen (GST), kodiert. Die GSTs sind bekannt für ihre Rolle bei der Detoxifikation von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in Pflanzen, die unter Salzstress vermehrt produziert werden. Die Gen-Expressions-Analysen an drei Zeitpunkten (10, 16 und 30 Tage nach der Applikation von Salzstress) des Jungpflanzenstadiums von Weizenpflanzen zeigte eine höhere Expression von <em>TaGSTu3</em> in Zentos im Vergleich zu Syn86, bei der die Expression von <em>TaGSTu3</em> unter Stressbedingungen sank. In dieser Arbeit wurde erstmalig der signifikante Beitrag der GST aus der <em>tau</em>-Klasse zur Salztoleranz von Weizen nachgewiesen.<br /> Die vorliegende Studie hat erfolgreich QTL identifiziert, wobei die günstigen Allele sowohl von der Eliteweizensorte Zentos als auch von dem synthetischen Weizen Syn86 stammen. Die detektierten nützlichen und exotischen Allele, die in den AB-Linien der Z86-Population vorhanden sind, können direkt in Züchtungsprogrammen über Marker-Aßisted Selection eingebunden werden. Dadurch kann zur effizienteren Züchtung von Sorten mit salztoleranten als auch weiteren bevorzugten agromischen Merkmalen beigetragen werden.