Adaptation assessment of a spring barley population to organic and conventional agro-ecosystems using genome sequencing approaches

Abstract

Over the past few decades, plant breeding has contributed significantly to increased crop yields in industrial agriculture. Besides, alternative, environmentally friendly farming approaches became more popular in the past years. However, questions arise which breeding goals are relevant to breed new varieties which are specially adapted for organic farming. The common practice of transferring conventionally adapted material into organic farming might lead to yield losses due to lacking adaptation of such varieties to organically farmed environments. So far, little is known about physiologically relevant characteristics for organically adapted varieties. <br /> To answer this question, a long-term selection experiment in a spring barley population was established in 1998. A twice backcrossed population with a cultivar as recurrent and a wild-type as donor parents was established and cropped in conventionally and organically managed farming environments for more than two decades. Mainly the farming environments with their adjustments in fertilization, crop rotation, and plant protection as well as weather impacts should have driven the selection of individual genotypes in these populations. Therefore, the artificial selection was reduced to a minimum so that only natural selection should lead to changes in the allele frequencies of the populations. <br /> In this thesis, complete populations for different generations and environments were genotyped entirely by applying a novel pool-based deep genotyping using a whole-genome resequencing approach. Implementing a haplotyping strategy makes it possible to dissect allele frequency variations on gene-level at low sequencing depth. Additionally, allele frequency variations between neighboring haplotypes have been used to calculate a consistent genetic map. <br /> Comparing the organically and conventionally adapted populations, a distinct variation between the systems was observed. The organic population was characterized by a high variation in the population, with a conspicuous tendency to evolve apart from the conventional population. The latter showed evidence of an early equilibrium state from the twelfth generation onwards. Nevertheless, these latest allele frequency changes were small compared to significant changes in the early generations. The calculation of a genetic map additionally indicated a more pronounced selection in the conventional population, leading to the assumption that the heterogeneity is lower in this population. In general, the wild alleles showed a higher fitness effect in the organic farming system. Some wild-type alleles were selected in the conventional system, whereas those alleles with a depressing effect on the yield were negatively selected. Exemplarily, this has been observed for two brittleness alleles and a dormancy allele. A metastudy of identified QTL regions for agronomically relevant traits revealed several candidate loci with variant allele frequencies between environments or generations. Those were clustered in yield components, yield physiology, biotic stress resistance, drought tolerance, root morphology, and nutrient uptake. Significant variations between the organically and conventionally adapted populations were observed for the root morphology, yield physiology, and drought tolerance. The variations in the root system were confirmed by two phenotypic experiments, which revealed higher root length, lower angle, and increased heterogeneity in the organic population. Pronounced root growth and coverage of the rhizosphere by the entire population, with each individual in its unique niche, might enable a better accumulation of nutrients and, at the same time, will increase resilience against drought events. <br /> Concluding, evolutionary adaptation processes in large populations undergoing long-term natural selection processes of a cereal crop were genetically examined by an innovative pool sequencing and haplotyping approach. Based on these findings, breeding goals for organic varieties could be adjusted and propagated.

Die Pflanzenzüchtung der vergangenen Dekaden hat in außerordentlichem Maß zur Ertragssteigerung in der industriellen Landwirtschaft geführt. Durch die zunehmende Nachfrage und Popularität alternativer und umweltschonender Anbaumethoden ergibt sich die Frage, wie Sorten speziell für diese ökologisch nachhaltigen Anbauweisen selektiert und entwickelt werden können. Die aktuell weit verbreitete Praxis, in welcher Saatgut von Sorten aus konventionellen Züchtungsumwelten im ökologischem Landbau Verwendung findet, lässt die Vermutung zu, dass diese Sorten nicht optimal an ihre Anbauumgebung angepasst sind und somit das volle Ertragspotential des organischen Landbaus nicht ausgeschöpft werden kann. Wenig ist über potentiell relevante physiologische Eigenschaften ökologisch angepasster Sorten bekannt. Um diese Fragen beantworten zu können, wurde zum Ende des letzten Jahrtausends ein Langzeitversuch etabliert, in welchem der selektive Einfluss des Anbausystems auf die genetische Zusammensetzung von einstmals identischen Populationen untersucht werden sollte. Diese Population, entstanden aus einer zweifachen Rückkreuzung einer Kulturgerste und einer Wildform, wurde über mehr als 20 Jahre in einem konventionell und einem organisch geprägten Anbausystem angebaut. Keine gerichtete menschliche Selektion wurde durchgeführt, so dass nur das Anbausystem und die Wettereinflüsse eine Veränderung der Allelfrequenz innerhalb der Populationen bewirken konnten. In dieser Arbeit wird erstmals eine komplette Population in mehreren Generationen mit vergleichsweise geringem Einsatz von Ressourcen vollständig genotypisiert. Durch das Sequenzieren des gesamten Genoms, das Wissen der elterlichen Allele und einen fortschrittlichen Haplotypisierungansatz ist es möglich, Allelfrequenzänderungen auf Einzelgenebene mit hoher Sicherheit schätzen zu können. Darüber hinaus wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt eine genetische Karte, basierend auf Allelfrequenzunterschieden, zu schätzen. <br /> Der Vergleich der beiden unterschiedlich angepassten Populationen hat mehrere Erkenntnisse geliefert. Eine deutlich erhöhte Heterogenität im organischen System konnte, verglichen zum konventionellen System, speziell in den späteren Generationen identifiziert werden. Die größten Unterschiede in den Allelfrequenzen wurden in den frühen Generationen erfasst. Nach etwa 10 Generationen hatte die konventionelle Population ein Gleichgewichtsstadium erreicht, in dem die Allelfrequenz keine signifikanten Unterschiede über die folgenden Generationen mehr aufzuweisen hatte. Dagegen deutet die organische Population eine zunehmende Diversifizierung an, die sich neben zunehmender Heterogenität zwischen Wiederholungen derselben Population und Generation in der Zunahme der Wildform Allelfrequenz an vielen Loci kennzeichnet. Die Kalkulation einer genetischen Karte aus den Allelfrequenzunterschieden und der physikalischen Distanz benachbarter Haplotypen deutet zudem auf eine stärker gerichtete Selektion hin. Allgemein kann beobachtet werden, dass Wildformallele in der organischen Umwelt eine deutlich höhere Fitness besitzen, als es in der konventionellen der Fall ist. Nichts desto trotz gibt es auch einige Gene, deren Wildformallele auch in der konventionellen Variante positiv selektiert wurden. Wildformallele mit negativen Effekten auf den Ertrag wurden in beiden Umwelten negativ selektiert. Dies wurde sowohl für zwei Spindelbrüchigkeitsallele als auch für ein ausgeprägtes Dormanzallel erfasst. Durch eine Metastudie und wurden Kandidaten QTL Regionen ermittelt, die in den Bereichen Ertragsphysiologie, Wurzelwachstum, Ertragskomponenten, biotische Resistenz, Nährstoffaufnahme und Trockentoleranz relevante Unterschiede zwischen den Anbausystemen oder Generationen gezeigt haben. Bei der Betrachtung der Wildformallelfrequenz dieser Regionen offenbart sich, dass die konventionelle und die organische Population statistisch signifikante Abweichungen im Wurzelwachstum, der Ertragsphysiologie und der Trockentoleranz zeigen. Die Abweichung im Wurzelsystem wurde mittels zweier phänotypischer Experimente bestätigt. Demnach wachsen die Wurzeln in der organischen Population deutlich tiefer, haben dazu aber auch eine erhöhte Heterogenität. Eine breiter gefächerte Durchwurzelung der Rhizosphäre durch eine diverse Zusammensetzung der Population, bestehend aus Tief- und Flachwurzlern, ermöglicht potentiell eine bessere Ausnutzung von Nährstoffen im Boden und sorgt gleichzeitig für eine höhere Trockenstressresilienz. <br /> Zusammenfassend bietet diese Arbeit erstmals einen sehr detaillierten Einblick in die Evolution einer Kulturart über mehrere Generationen durch die Verwendung eines innovativen Poolsequenzierungs- und Haplotypisierungsansatzes. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit lassen sich Zuchtziele für organische Sorten ableiten.