Genetic dissection of shoot traits and proline content under control and drought conditions in barley

Abstract

Drought is the most severe threat to world crop cultivation and production especially in water shortage areas. Wild barley diversity contains notable variation in phenotype that is essential for its adaptation to abiotic stress like drought. In the current study, we performed QTL mapping for shoot traits and proline content accumulation under control and drought conditions. A library of 73 (BC3S4:S10) S42ILs derived from German cultivar Scarlett and wild accession from Israel (ISR42-8) was used in this experimental study and genotyped for shoot traits with a 1,536-SNP Illumina BOPA1 set. <br /> Plants were analyzed and phenotypic data was collected for eight shoot traits and physiological trait i.e; proline content. All studied traits showed high significant differences between both treatments. Genetic mapping reveals total twenty QTLs for shoot traits and five QTLs for drought inducible proline accumulation all over the barley genome and had main effects on improving or reducing the traits under control and drought stress conditions. The most important QTL which have been obtained in the current study is for proline content on 1H chromosome. Further mapping and validation in a high resolution population revealed that Qpro.S42-1H underlie a previously unknown HvP5CS1 allele originated from wild barley. The functional mutations were found in the promoter motifs for DNA binding transcription factor i.e; ABRE-binding factors (ABF1, ABF2), where the number and arrangements of ABFs binding motifs in the wild P5CS1 allele in ISR42-8 appeared to imply transcriptional up regulation and excessive proline accumulation under extreme drought conditions. Higher proline accumulation in QTL allele bearing ILs S42IL-143 and S42IL-141 conferred improved physiological activity and photosynthetic yield, thus confirming functionality of an exotic P5CS1 allele in the cultivated barley. The present findings brought up a first insight on the molecular and evolutionary regulation of an essential drought physiological traits in crop plant. These resources offer opportunity to understand adaptive biology of crop plants and can serve as direct target for trait improvement in barley and related species.

Die Kultivierung und der Ertrag von Feldfrüchten wird hauptsächlich durch Trockenheit insbesondere in Anbaugebieten mit zunehmender Wasserverknappung gefährdet. Die Wildformen unserer Kulturgerste bieten ein hohes Maß an Variation des Phänotyps und somit an Anpassungsmöglichkeiten an diverse abiotische Stressszenarien wie etwa Trockenheit. Für die vorliegende Arbeit wurde eine Kartierung quantitativer Merkmale für Sprossparameter, sowie des Gehalts von Prolin, einem Pflanzenhormon, unter Kontroll- und Stressbedingungen durchgeführt. Eine Population bestehend aus 73 (BC3S4:S10) S42-Introgressionslinien abstammend von der deutschen Kultursorte Scarlett und der exotischen Linie ISR42-8 aus Israel wurde im Hinblick auf Sprossmerkmale mithilfe eines Illumina BOPA1 Sets anhand von 1536 SNPs genotypisiert. Die Versuchspflanzen wurden im Hinblick auf acht phänotypische Sprossmerkmale, sowie physiologische Merkmale, wie z.B. Prolingehalt analysiert. Alle untersuchten Parameter wiesen hochsignifikante Unterschiede zwischen den beiden Behandlungen auf. Die genetische Kartierung ergab insgesamt 20 QTLs für Sprossmerkmale und fünf QTLs für trockeninduzierte Prolinanreicherung, verteilt auf das gesamte Gerstengenom und hatte wichtige Effekte in Bezug auf die Ausprägung der entsprechenden Merkmale unter Kontroll-bzw. Stressbedingungen. Für Prolingehalt konnte in der aktuellen Studie ein wichtiges QTL auf Chromosom 1H lokalisiert werden. Die weitere Kartierung und Validierung in einer höher auflösenden Population ergab, dass der Genort Qpro.S42-1H einem bislang unbekannten HvP5CS1 Allel aus Wildgerste entstammt. Funktionelle Mutationen wurden in der Promotorregion für DNA-bindende Transkriptionsfaktoren wie z.B. ABRE-Bindungsfaktoren (ABF1, ABF2) entdeckt, wobei deren Anzahl und Anordnung im exotischen P5CS1 Allel in ISR42-8 eine deutliche Prolinanreicherung unter extremen Trockenstressbedingungen reguliert. Die Introgressionslinien S42IL-143 und S42IL-14, welche das entsprechende QTL-Allel für eine Prolinanhäufung tragen, zeigten eine verbesserte physiologische Aktivität und Photosyntheserate und bestätigten damit die Funktionalität des P5CS1-Allels in der Kulturgerste. Die vorliegenden Ergebnisse geben einen ersten Einblick in die Regulierung eines entscheidenden physiologischen Merkmals auf molekularer Ebene in Pflanzen. Dadurch werden Möglichkeiten zum Verständnis der Anpassung von Pflanzen an Trockenstress und die Nutzung dieser wertvollen Ressourcen als Quelle zur Leistungsverbesserung von Gerste und verwandten Spezies eröffnet.