e-ISSN 2657-8913
PIOTR BEDNAREK AGNIESZKA NIEDZIELA MARZENA WASIAK SŁAWOMIR BANY
Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin — Państwowy Instytut Badawczy, Radzików
Kierownik Tematu: prof. dr hab. Piotr Bednarek Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin — Państwowy Instytut Badawczy, Radzików, 05-870 Błonie, tel.: 601827259, e-mail: p.bednarek@ihar.edu.pl
Prace zostały wykonane w ramach badań podstawowych na rzecz postępu biologicznego w produkcji roślinnej na podstawie decyzji Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi nr HOR.hn.802.19.2018, Zadanie 21.
Poszukiwanie markerów molekularnych genów
przywracania płodności pyłku u żyta
(Secale cereale L.) z CMS-Pampa
Identification of pollen fertility restoration markers in rye (Secale cereale L.) with CMS-Pampa
Słowa kluczowe: CMS-Pampa, markery DArTseq, Secale cereale L.
Hodowla heterozyjna oraz produkcja nasion żyta bazuje na zjawisku cyto-plazmatycznej męskiej sterylności (CMS) indukowanej przez cytoplazmę typu Pampa (Geiger i Schnell, 1970). Sterylność jest cechą dziedziczoną od matki i charakteryzuje się degradacją pylników oraz brakiem lub występowaniem śladowych ilości pyłku. Aby przywrócić wytwarzanie pyłku w uzyskanych hybrydach niezbędne jest znalezienie linii posiadających dominujące, jądrowe geny przywracania płodności Rf (ang. restorer genes). Dotychczasowe badania prowadzone w Niemczech wykazały, że główny gen Rf
CEL PODJĘTEGO TEMATU I PROWADZONYCH BADAŃ
Celem badań było genotypowanie populacji mapującej żyta RIL8 (RIL-A): NS 08135N/2 × 83/81 (78A-674 TUR.)/2 za pomocą markerów DArTseq oraz mapowanie genów utrzymania przywracania płodności pyłku typu PAMPA wraz ze wskazaniem markerów związanych z badaną cechą.
OPIS WYNIKÓW
Materiał roślinny do analiz molekularnych stanowiły liście populacji RIL-A: NS 08135N/2 × 83/81 (78A-674 TUR.)/2. Wykonano 140 genotypowań włączając kontrole form rodzicielskich (8 powtórzeń), powtórzenia wewnętrzne (12 powtórzeń losowo wybranych preparatów) oraz kontrole w postaci pojedynczych roślin linii sterylnych (10 linii sterylnych P1-10). W wyniku genotypowania uzyskano 40073 markerów DArTseq (marker SNP) oraz 92928 silicoDArT (marker dominujący). Wykorzystanie kontroli wewnętrznych oraz powtórzeń umożliwiło weryfikację powtarzalności genotypowania, które wynosiło około 99%.
Mapowanie genetyczne wykonane w programie MultiPoint UltraDense z wykorzy-staniem obu typów markerów (DArTseq, silicoDArT) umożliwiło identyfikację siedmiu grup sprzężeń (LG1-LG7). Poszczególne LGs różniły się między sobą zarówno długością jak i liczbą markerów szkieletowych, redundantnych oraz dodanych. Na mapie genetycznej umieszczono 424 markery szkieletowe, 1564 redundantne (1988 łącznie dla wszystkich LG) oraz 32270 markerów dodanych (interpolowane na mapę). Opracowana mapa genetyczna pokrywała 1051,8 cM. Największa grupa rozciągała się na obszarze 189,3 cM, a najmniejsza na 68,80 cM. Średnio na pojedynczą LG przypadało 60 markerów szkieletowych, 223 markerów redundantnych i 4610 markerów dodanych. Największą lukę miedzy markerami stwierdzono w przypadku grupy LG2 i wynosiła ona 27,5 cM. Poszczególne grupy sprzężeń przypisano do chromosomów żyta na podstawie znanej lokalizacji markerów DArTseq oraz silicoDArT.
Mapowanie asocjacyjne wykonane w programie TASSEL z zastosowaniem wielokrotnego modelu liniowego (MLM ang. Multiple Linear Model) wykazało, że 144 markery DArTseq oraz silicoDArT są asocjowane z genami przywracania płodności pyłku u żyta z CMS-Pampa. Najwyższa wartość prawdopodobieństwo testowego dla jednego z markerów silicoDArT wynosiła 2,64E-12 przy wartości testu Bonferroniego równej 8,64E-07.
5486776_1R 0.0 37704425_1R 1.1 5493653_1R 2.3 3578605_1R 5.2 37707294_0R 6.9 5201219 9.3 37701913_1R 10.3 5498708_1R 10.9 5502081_1R 11.4 3358976_1R 12.5 5487313_1R 13.0 5036700_1R 15.3 5223733_1R 16.4 DS_3344268_35:A>G_1R 17.5 DS_5498208_12:A>G_1R 18.0 DS_3362852_29:A>C_1R 18.5 3598926 19.6 DS_3588190_7:T>G_1R 20.2 DS_5216471_42:T>C_1R 22.3 37705534_1R 22.9 3884170_1R 23.4 DS_5499729_25:G>C 23.9 4491622_1R 24.5 3731469_0R 25.0 3586934 26.1 3736853 27.2 3733254_1R 27.7 3585576_0R 28.2 3583939_1R 29.3 7411283 31.0 3585283_0R 31.5 DS_5501635_62:C>G 32.7 3589832_0R 33.8 3906553_1R 34.9 3741854_0R 36.6 4484833_1R 38.9 DS_3908365_21:G>A_1R 40.0 3348211_1R 41.1 37700821_1R 41.6 7463286_1R 42.8 3892968_0R 48.5 3359167_1R 50.2 7463996_1R 51.9 DS_7104761_19:G>C_1R 54.1 5500477 56.3 3749142_1R 57.5 3582893_1R 58.0 3887753_1R 61.7 5217126_1R 69.1 3577652_1R5493490_1R 71.3 5486209 73.0 37701896 74.6 DS_3363189_29:G>C_1R 76.8 5502844_1R 82.1 DS_5505025_7:C>G 85.0 3351951_1R 91.8 3887276_1R 96.0 3360574 101.3 3731656 102.4 5043366_1R 107.8 3884404_1R 110.7 3345849 113.0 3883888_1R 115.5 3344890_1R 121.1 5498940_1R 124.0 c m s 1R 5205797_2R 0.0 5487048 2.9 5214037 3.5 37699231 8.0 5225014 9.7 3343305_2R 12.1 7465221 15.1 5487105_2R 26.3 7463551_2R 28.7 37705465_2R 30.4 3885138_2R 32.7 5487598 34.4 7414298_2R 35.5 29361967_2R 41.1 5207543_2R 42.2 3348473_0R 43.3 5485944_2R 45.5 37698548_2R 46.6 31722234_2R 47.2 DS_5503162_13:C>G 48.8 3733892 49.9 DS_7098407_20:T>C 50.4 3588356_2R 52.1 5034645_2R 52.6 4487797 80.1 3737835 83.8 DS_3907649_5:G>C_2R 88.7 3890121_2R 93.5 37702973 96.4 DS_5219457_12:G>C_0R 97.6 3361216_2R 99.2 3908158_2R 105.4 3582241_2R 106.0 5497311_2R 107.2 37707253_2R 107.7 37700128_2R 112.0 5502434_2R 112.6 37703322_2R 116.5 2R 37702220_3R 0.0 5493177_3R 2.4 3744530_3R 4.2 DS_5218443_7:C>A_3R 6.0 3734779_3R 8.4 3348171_3R 11.3 5485917_0R 14.8 3363033_3R 24.4 37701116 26.1 3745724_0R 29.2 DS_3352685_35:A>G_3R 30.9 3345860 32.0 5218062_3R 33.7 3743642_3R 39.9 3343323_3R 42.3 37699000_3R 45.5 3363770_3R 46.7 5209223_0R 48.5 5492903 57.4 3903167 59.6 37704624_3R 60.7 DS_3744890_23:C>G_3R 61.8 3750359 62.8 3888550 63.4 DS_3906350_62:G>T_3R 65.6 DS_5501210_18:G>C 70.2 3587573 74.2 3906482_3R 76.5 3356502_3R 80.0 3887839 83.3 5501255_3R 86.8 3885699 90.3 37704779_3R 92.0 DS_3579945_9:G>T_3R 93.1 3364075 93.6 3360793_3R 94.1 5041646 94.7 37702972_3R 95.2 37699749 99.9 3601492_3R 107.4 3903784_3R 108.0 3900088 109.8 7497683_3R 129.2 3595294_3R 132.8 5209181_3R DS_3743442_3R 133.8 37698976_3R3730377_3R 135.0 3R 3353563_4R 0.0 5200346 2.3 7356901_0R 2.9 3580842 3.4 5216656_4R 3.9 5486456_4R 4.5 5213405 6.2 37706501_4R 8.0 5039282_4R 8.1 3356522_4R 8.6 3357448_0R 10.9 37701863_4R 15.0 4485517 17.3 37701960_4R 19.6 3884532 23.1 37702019 25.3 5203098_4R 28.8 3585761 29.9 5226596_4R 36.1 37702205_4R 36.7 3748113 42.4 28855170_4R 45.3 3603009_4R 47.0 DS_5501341_40:C>T_4R 49.4 DS_3908217_59:G>C_4R 58.2 3899006_4R3346995_4R 5487570_4R 61.1 3734583 70.0 37698532_4R 75.4 3598799 76.5 DS_5804104_26:T>G_4R 78.2 37698795_4R 81.8 3909719_4R 84.8 3582198 92.2 DS_3750173_32:A>G_4R 93.3 5499844 93.9 3581504_0R 95.5 3577100 96.0 3743176_4R 96.5 5493986 102.0 DS_3355143_13:G>A_0R 104.2 5493980 107.0 3909055_4R 108.1 37699905 108.6 3892819 111.0 28856266_4R 112.1 37706530_4R 113.8 DS_5501225_44:T>A_4R 116.2 c m s c m s 4R
Rys. 1. Graficzna reprezentacja mapy genetycznej populacji mapującej RIL8 (RIL-A): NS 08135N/2 × 83/81 (78A-674 TUR.)/2. Na czerwono zaznaczono markery asocjowane z cechą przywracania płodności pyłku u żyta z CMS Pampa. Potencjalny obszar QTL określony na podstawie lokalizacji
markerów asocjowanych z badaną cechą przedstawiono w postaci czarnej linii
3890459_5R 0.0 3347841_5R 0.6 37703049 22.1 3344775_5R 22.6 5044332 23.2 3731189_5R 25.5 3883651_5R 30.6 3583423_5R 34.3 37706149 35.9 4498692 40.9 3746842_5R 42.6 5501833_5R 43.7 3894369_5R 44.3 5217392 45.9 DS_5798292_11:G>C 47.6 5042508 49.9 5204275 52.2 DS_4092218_65:A>C_5R 53.3 37705814_0R 54.4 4494049 55.0 7466133_5R 56.7 DS_3595442_34:G>C_5R 57.7 DS_3342033_38:G>A_5R 58.8 3345166_5R 59.9 3357882_0R 60.4 3887440_0R 61.5 DS_3595508_30:T>C_5R 63.7 7097261_0R3887217 65.9 3360731 66.4 5215351 68.1 3891764_5R 69.7 5497241_5R 71.4 5041901_5R 75.8 5486365_0R 77.5 3346104_5R 82.3 3580165 84.6 3346229_5R 87.4 16513806_5R 91.3 3586115 99.8 5494270_0R 100.3 3356713_5R 102.6 5220551_5R 105.6 3899707_5R 110.7 3592801_5R 113.0 5488807 118.8 37701438_5R 120.1 35816807413195_5R 122.4 3901672 125.0 5226291_5R 125.1 3350951_5R 127.8 3364977_5R 130.0 28855508_5R 133.3 3589231 134.4 3892566_5R 135.6 5498952_5R 137.8 5498781_5R 140.0 3593826 140.5 37700932 141.6 5488843_5R 142.1 3592218_5R 142.6 4488529 144.3 5208844 145.3 37701419 148.2 37699331 154.2 3345798_5R 154.8 DS_3583468_11:G>C_5R 157.0 3587803_5R 158.6 5208838 160.3 DS_4490811_15:C>T_0R 161.3 28857592_5R 163.5 3890389 165.7 37704133_5R 167.9 3887339_5R 169.6 3351032 171.2 5216881_5R 173.5 3353009_5R 176.9 3590020_5R 180.2 4498493_5R 183.0 DS_3734232_40:C>G_5R 184.1 3882471 188.2 DS_7105566_11:C>G_5R 189.2 c m s 5R DS_3364456_65:C>T_0R 0.0 5493339 6.1 37701838_6R 7.8 5497626_6R 9.5 3734859_6R 10.5 5214426 14.7 4493819 16.4 37700960 17.5 5494278_0R 19.1 5488343_6R 21.4 3358896_6R 24.3 37702503_6R 36.7 3354300 42.4 3882579_6R 44.7 3579482_6R 47.8 5492746_6R 49.0 3908089_6R 50.1 3744834 50.6 37699848_6R 51.7 5488321_0R 52.2 3905505_6R 52.8 3901640 55.5 3901719_6R 57.2 5038771 57.7 3599225 58.7 3884685 59.3 DS_5213615_14:A>T_6R 71.7 3899620_6R 72.8 5757757_6R 74.5 5218382 77.9 DS_3364739_5:C>G_6R 79.1 5203525_6R 80.2 3350672_6R 81.8 5501853_6R 82.4 DS_37706724_14:C>T_6R 84.0 4490952_6R 85.6 3890520_6R 86.7 3602570_6R 87.2 DS_3577203_7:G>A 87.7 37706265_6R 88.3 5486519 89.4 28857545_0R 89.9 3588882_6R 91.1 7413194_6R 92.2 5503388_6R 94.0 3587205 95.0 3899507_6R 96.1 37701463_0R 97.9 DS_3746273_37:G>C_6R 99.0 3743259_6R 99.5 3594460_6R 103.0 5799861_6R 105.9 5043433_6R 108.1 5037064 109.7 3357935_6R 110.8 3349564_0R 113.0 3886680_6R 114.0 3358348 119.1 3734887_6R 120.0 5215332 120.8 37702867 123.1 4489404_0R 127.3 3885282_6R 128.9 7413234 130.0 5037365_6R 131.0 3356904_0R 134.5 4496486_6R 135.6 5221113_6R 136.7 3346363 137.8 3353725_0R 140.0 3362518_6R 141.7 5223826 143.4 3747508_6R 144.0 5035475 146.4 DS_3896606_35:A>G_6R 148.2 3734520_6R 149.3 5209541_6R 150.5 3749489_0R 152.2 3576481_0R 152.4 37698515_0R 156.4 5503045_0R 157.0 3360692_2R 157.5 5041886_6R 158.2 3352657 159.3 3348410_6R 161.0 28855105_6R 164.0 37698550_6R 166.3 5215875_0R 167.4 3590217_6R 168.6 3891813_6R 169.2 DS_3578407_19:C>T_6R 170.9 DS_5498363_19:T>C_6R 177.4 3584466 177.9 3343432 179.5 c m s c m s 6R 4484947 0.0 3355160_0R 8.4 3734929_7R 19.7 3359473_7R 29.2 5486706 41.4 28856637_0R 43.7 3359716_7R 48.5 DS_3733351_14:C>G_7R 52.0 37705587_7R 56.1 3364699_7R 63.3 DS_3364217_6:A>G_7R 67.5 37701982_7R 69.2 DS_3743495_46:G>A_7R 72.1 3885239 79.4 3591700_7R 82.8 DS_5501645_12:C>A_0R 84.9 DS_3900340_28:C>G_7R 86.0 3889130_7R 87.6 7410494_7R 90.5 DS_3576763_16:G>C_7R 91.6 5218675_7R 95.6 DS_3355129_60:T>C_7R 96.6 3343870_7R 98.2 3581810_7R 102.1 DS_3910032_35:T>A_7R 103.2 5206067 104.3 3347458_7R 106.0 3348561_7R 108.5 5500466 111.6 37702461_7R 112.7 3583531 113.8 DS_5503661_16:C>T 114.8 5499853 115.9 DS_3599905_26:A>G_7R 117.5 5200557 119.7 5139194_0R 123.0 3347941 127.0 37706032 128.0 5209691 129.6 3904781_7R 129.8 5216646_7R 5487268_7R 129.9 37699928_7R 130.8 c m s 7R
Stopień asocjacji określany za pomocą współczynnika determinacji R2 wahał się od 0,768 do 0,347 co świadczyło o silnych asocjacjach identyfikowanych markerów z badaną cechą. Markery asocjowane z cechą przywracania płodności pyłku u żyta zaznaczono na kolor czerwony na mapie genetycznej populacji mapującej RIL8 (RIL-A): NS 08135N/2 × 83/81 (78A-674 TUR.)/2 (rys. 1). Na podstawie ich lokalizacji zaznaczono również potencjalny obszar QTL badanej cechy.
WNIOSKI Z PROWADZONYCH BADAŃ
Dotychczasowe badania prowadzone w ramach niniejszego projektu wykazały, że w materiałach roślinnych dostępnych w Polsce dominują geny przywracania płodności pyłku z CMS-Pampa lokalizujące się na chromosomach 1R i 4R. Pewną rolę odgrywają również geny na 3R oraz 5R. W badaniach tych udowodniono wysoką zbieżność wyników mapowania kompozytowego i asocjacyjnego. Mapowanie asocjacyjne dla populacji mapującej RIL8 (RIL-A): NS 08135N/2 × 83/81 (78A-674 TUR.)/2 potwierdza wielogenowość cechy wykazując, że regiony odpowiedzialne za przywracanie płodności pyłku u żyta z CMS Pampa mogą lokalizować się na chromosomach 1R, 3R, 4R, 5R, 6R oraz 7R. Uzyskany wynik jest zgodny z danymi literaturowymi.
LITERATURA
Geiger H. H., Schnell F. W. 1970. Cytoplasmic male sterility in rye (Secale cereale L.). Crop Sci. 10: 590 — 593.
Miedaner T., Glass C., Dreyer F., Wilde P., Wortmann H., Geiger H. H. 2000. Mapping of genes for male-fertility restoration in ‘Pampa’ CMS winter rye (Secale cereale L.). Theor. Appl. Genet. 101: 1226 — 1233.
Wricke G., Wilde P., Wehling P., Gieselmann C. 1993. An isozyme marker for pollen fertility restoration in the Pampa cms system of rye (Secale cereale L.). Plant Breed 111: 290 — 294.
