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Doctoral Thesis
Identification and application of molecular markers for
incorporating tolerance and alien-derived BYDV resistance into
bread wheat
Author(s):
Ayala, Ligia
Publication Date:
2001
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-004098985
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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Diss. ETH No. 13854
Identification and Application of Molecular Markers for Incorporating
Tolerance and Alien-Derived BYDV Resistance into Bread Wheat
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
ZURICH
For the degree of
DOCTOR OF NA’I’URAL, SCIENCES
Presented by
Ligia Ayala
Dipl. Biology PUCE-Ecuador
Born August 4. 1057
Citizen of Ecuador
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. P. Stamp, esaminer
Prof. Dr. I3. Keller, co-examiner
Prof. Dr. I. Potrykus, co-esaminer
Dr. n/r. van Ginkel, co-examiner
Zurich, 200 1
1
I. Summary
111the past CIMMYT’s
strategy for breeding for barley yellow dwarf (BYD) resistance
in bread wheat was oriented mainly toward incorporating tolerance (few symptoms and low
field
losses) because true resistance (low virus titer) was not available in the wheat gene
pool. Polygenic
tolerance has frequently
been
reported and a semi-dominant
gene
conferring tolerance in the variety Anza has hecn described and incorporated into many
CIMMYT
lines. In the late 1980s and early 1990s. the presence of resistance in wheat’s
wild relatives was reported. and wheat germplasm carryin, 0 this alien-derived resistance
was made available in the early 1990s.
In this study, the \%-heatrecombinant line ‘K 14 carrying a translocation
internwdiwn
CIMMYT
(E) was used as a source of BYDV
bread wheat lines with and without
f?om l%.
resistance, and crossed with elite
BY DV tolerance. From the resulting
populations we obtained information on the genetics of BYDV resistance and tolerance,
and on the level of expression of the alien-derived resistance w-hen combined with diverse
sources of BYDV tolerance.
Identification
of BYDV tolerance has relied mostly on the phenotypic expression of
disease symptoms and agronomic characteristics, all of them environmentally
dependent.
The use of molecular techniques would allow the precise identification of QTLs or major
genes involved in tolerance and resistance that could be combined with traditional breeding
in a marker assisted selection (RIAS) approach.
In the first part of this study, molecular markers for the 7i’ translocation
identified, and the link between the translocated fragment and BYDV
were
resistance under
Mexican conditions w-as established. The search for markers was accomplished using RFLP
and SSRs mapping on chromosonle 7. The segregation ratio of the Ti fragment was
followed in a F2 population. The level of resistance to BYDV
MAV-Mex
was evaluated in F;, F,I
ad
isolates PAV-Mex
and
Fs populations under field and greenhouse
conditions by measuring virus titers of infected plants and counting the number of infected
plants. Resistance due to the Ti fragment \vas expressed as reduced virus titer and verified
for the BYDV-PAV
isolate. In addition. reduced infection in the field
was observed,
suggesting a mechanism that may interfere with aphid feeding or virus translocation. The
2
SSR ywm37 was diagnostic for the translocation. and its location was confirmed with
cytogenetic techniques. CTMMYT’s
bread wheat hrecding program has incorporated the
marker into a MAS scheme aimed at selecting for B YDV resistance.
In the second part of our research, potential QTL,s involved in BYDV tolerance were
studied in two populations. Opata x Synthetic (ITMI population) and Frontana x INIA;
molecular data were available for both. A field trial with artificial inoculation using the
BYDV-PAV-Mex
isolate \vas carried out. Tolerance was assessed by visual estimation of
symptoms and by measuring agronomic traits. The composite interval mapping method was
used for QTL detection. A total of 22 QTLs in ITMT and eight in the Frontana x INIi-266
populations, all of them with minor effects: were associated with tolerance. We confirmed
the polygenic nature and complexity of BYDV tolerance in wheat.
In the third part, we studied the influence of wheat genetic backgrounds with and
without
known
BYDV
tolerance on the expression of resistance. Five populations
segregating for the alien fragment were tested under field conditions following
inoculation with BYDV ;“vfAV-Mes and Pi\V-Mes
were identified
Agronomic
artificial
isolates. T-,&s containing the fragment
using the SSR marker cq~~m37. and resistance assessed by ETXA.
traits were evaluated in inoculated and non-inoculated
effects of Ti on agronomic performance and quality were
found
plots. No negative
in the absence of the
disease. As before, a significant reduction in virus titer in individuals carrying the fragment
was observed after PAV infection in crosses with lines Anza and Baviacora but not w-it11
Milan. Also, the fragment was associated with a lower frequency of infected plants for both
virus isolates.
In conclusion, the effectiveness of the resistance (low virus titer) carried in the alien
translocation w-as confirmed for the BYDV-PAV-ll/les
isolate. It was complemented by
reduced infection either due to a mechanism interfering with aphid feeding or with virus
translocation. The SSR g~m3 7 is a reliable marker for the 7%. infeumx/izm
translocation,
and suitable for large-scale screening. No negative influence of the alien fragment was
observed. On the contrary. there was a positilye interaction between alien-derived resistance
and tolerance to BYDV. The polygenic nature of RYI>V tolerance involving minor gene
effects in bread wheat makes the use of L.1AS unsuitable for tracking tolerance.
3
II. Zusammenfassung
CIMMYT‘s
zur
Strategie
Gestenverzwergungsvirus
der
Zuec11tu11g
Resistenz
gegen
das
(BYDV) in Weizen war in dcr Vergangenheit gepraegt von der
Suchc toleranter Linien (reduzierte Symptome. weni g Ertragsverluste), da eine eigentiiche
Resistenz (geringcr Virustiter) in1 Weizeugenpool nicht verfuegbar war. Polygene Toleranz
wurde in der Literatur mehrtnals beschrieben. ein die ‘l’oleranz auspraegendes Gen der
Sorte Anza in viele CIMMYT-Linien
eingeheuzt. Ende der 8l)iger und Anfang der 9Oiger
Jahre wurde die Praesenz der Resistcnz in wilden Verwandten des Weizens entdeckt und
erstmals in Zuecht-cnzgsmaterial uebertragen. In dieser Studie wurde die rckombinante Linie
TC14 mit der Translokation aus Th. intermedium (Ti) als Quelle der BYDV-Resistenz
verwendet. Die L,inie \;c-urde mit Cimmyt-Elitematerial
(BYDV-tolerant
und -anfaellig)
gekreuzt. Aus den Kreuzungen resultierende Populationen gaben Aufschluss ueber die
Genetik der RYDV-Resistenz
und Toleranz, som$e ueber den Grad der Expression der
ms
den1 Wildmaterial stanmendcn Resistenz, mi t der Kom bination verschiedener Quellen der
Toleranz.
BYDV-Resistenz
Krankheitssymptome
uud
Tolcranr
und agronornischer
unabhaengig von umweltbedillgtell
m-urde
Merkmale
aufgrund
der
erfasst. Molekulare
typischen
Techni ken,
Einfluessen. erlaubten die direkte Identifizierung
bcteiligten QTL Die Kombination traditioneller Zuechtung
der
molekularer ‘Technik wurde
und
verfolgt, urn die Anwendung markergcstuetzter Selektiot-1 (_MAS) zu erweitern.
Icn ersten Teil der Studie w~~rden molekularc
Translokation
identifiziert
und deren Zusanmenhang
Marker,
gekoppelt
mit der Ti-
mit der BYDV-Resistenz
unter
mexikanischen Bedingungen bctrachtet. Al s molekulare Marker wurden auf Chromosom 7
kartierte RFTJ?s und SSRs getestet, Die
Inokulation tnit zwei BYDV-lsolaten
Auspraegung
(PAV-Mes,
der Resistenz wurde nach kuenstliche
MAV-Mes)
in den Populationen FJ, Fq
und Fi unter Feld- und Getvaechsl~ausbedinyunge~~ cvaluiert.
Anzahl infizierter
Pflanzen pro Parzelle sowie der Virustiter
Infektion mit den1 BYDV-lsolat
P/IV-Mes
wurde dabei die
CJenieSSeii
intizierter
Pflanzen. Bei
aeusserte sich die Resistenz als Folge der Ti-
Translokation in reduziertem Virustiter. Allgetnein wurde eine geringere Infektion auf den1
Feld beobachtet. Dies w-eist a~~f eincn geringeren Befall von virusuebertragenden Aphiden
hin. Ebenfalls kijnnte der ‘Transport des Virus ueber lange Strecken innerhalb der Pflanzen
reduziert scin. Fuer die Ti-Tramlokation
Lokalisation
des Markers
innerhalb
war der SSR-Marker
des translozierten
gwni3?
cltarakteristisch. Die
Ti-Fragments
wlude
mit
4
cytogenetischen Methoden bestaetigt. Der Marker wurde in die MAS-Studie fucr BYDVResistenz des Cimmyt Weizenzuechtngsprogramms
au fgenommen.
Im zweiten Teil der Studie wurden potentielle. mit der BYDV-Toleranz
assoziierte
QTL charakterisiert. Dam wurden zwei verschiedene Populationen aus den Kreuzungen
Opata x Synthetic (ITMI Population) und Frontana x 1NIA verwendet. Molekulare Daten
waren her beide Populationen verfLlegbar. Die Populationen
BYDV-PAV-Mes
unter Freilandbedingungen
wurden mit dem lsolat
infizicrt. Fuer die Detektion der Q’TL wurde
die Methode des “composite interval mapping” \,er\vendet. 22 QTL wurden in der ITMIPopulation. acht in der Population Frontana x INIA analysiert. Sie zeigten jedoch alle
geringe Effekte, was die polygene Natur und Komplexitaet der BYDV-Toleranz
Mittelpunkt
bestaetigt.
des dritten Teils der Studie war der Einfluss des genetischen Hintergrundes
von Weizenlinien mit und ohne BYDV-Toleranz
auf die Expression der BYDV-Resistenz.
Fuenf Populationen, spaltend fuer das translozierte Ti-Fragment w-urden im Feld unter
kuenstlicher
Inokulation
mit den Isloaten BYDV-MAV-Mex
und PAV-Mex
agronomische Daten in den infizierten und sowohl in nicht-inlizierten
getestet,
Parzellen erfasst. L>as
Ti-Fragment tragende Linicn wllrden mit Hilfe von gwni~7 identifiziert,
die Resistenz
durch ELISA bewertet. ln allen Populationcn wurden keine negativen Effekte des TiFragments auf den agronomische Wert des Weizens gefLmden. Wie s&on zuvor wllrde ein
signifikant reduzierter Virustiter
bei fragl?lenttragcndeIIlde~l
Linien, infiziert mit dem Isolat
PAV-Mex festgestellt, jedoch nur in Kreuzungen mi t den Linien Anza und Baviacora, nicht
mit der Linie Milan. Zudcm war das ‘Ti-Fragment mit einer geringeren Frequenz infizierter
Pflanzen fLler beide Virusisolate nssoziiert.
Die Effektivitaet
BYDV-PAV-Mex
der BYDV-Kcsistenz
aus Th. intermedium wurde fuer das Isolat
somit innerhalb clieser Studie bestaetigt. Der Resistenzmechanismus
bcgruendet sich in einem geringern Befall \$usuebertragender
Aphiden odcr im Transport
des Virus ueber groessere Distanzen. Der n~olekularc Marker gwn37
kartiert zuverlaessig
innerhalb des translozierten Fragments und ist somit au& fLler umfassende Tests geeignet.
Ein agronomisch negativer Einkluss der Ti-Transloktion
wurde nicht beobachtet. Positive
Interaktionen zwischen der aus dem Wildmaterial stammenden BYDV-Resistenz
im Weizen vorkommenden BYDV-Toleranz
und der
tratcn auf. Die polygene Natur der BYDV-
Toleranz erschwert die Nutzung tnolekularcr Marker im Zuge der MAS.
5
III. Resumen
En el pasado, la estrategia de1 CIMMYT para obtener resistencia al enanismo amarillo
de la cehada (BYD) se orient6 principalmente hack la incorporaci6u de toierancia (pocos
sintomas y pocas pkrdidas en el campo) porque no existia verdadera resistencia (bqjos
titulos de1 virus) en cl grupo getktico de1 trigo. La tolerancia al virus de1 BYD que con
mayor frecuencia se ha reportado en trigo, ha sido de1 tipo polighico (gobernada por varios
genes); asirnismo, existe un gen que confrere tolerancia con dominancia partial en la
variedad Anza que fk descrito e incorporado en muchas lineas de1 CIMMYT. A fines de
10s afios 80 y principios de 10s 90, se report6 la presencia de resistencia en 10s parientes
silvestres de1 trigo y, a comienzos de 10s 90, ya habia gernmplasma recombinante de trigo
con resistencia al BYDV derivada de material forrineo.
En este estudio, la linea recotnbinante TC14, cpc lleva ma translocaci6n proveniente
de Thinopyrzm intemtetlitrnt (Ti), un pariente silvcstre de1 trigo, se us6 coma lkente de
resistencia al BYDV, y se la cruzci con trigos harineros elite provenientes de1 CIMMYT:
unos con tolerancia y otros sin tolerancia al BYDV. A partir de las poblaciones resultantes
se obtuvo infornmcicin sobre las bases genkticas de la resistencia y la tolerancia al BYDV, y
sobre el uivel de exprcsih de la resistencia conferida por el fragrnento for&leo cuando kste
se cornbina con diversas fuentes de tolerancia al virus.
Tradicionahnente. la identificaci6n de tolerancia al BYDV se ha basado en la
nlanifestaci6n de 10s sintomas de la enfermedad y en sus caracteristicas agromknicas, todas
ellas dependientes de1 media ambiente. El use de t&micas moleculares nos permitirian una
identificaci6n precisa de QTLs (caracteres cuautitativos , gobernados por un nimero de
genes de efectos menores) o de genes mayores que intervieneu en la tolerancia y la
resistencia, qm podrian ser cotnbinados con el mejoramiento traditional en ma estrategia
de selecci6n asistida por marcadores moleculares (RIAS).
En la primera parte de este estudio, se ideutifjcaron marcadores rnoleculares para la
translocaci6n proveniente de Tit. irztet*tttediwtt y se estableci6 ma relaci6n entre el
fragmento translocado y la resistencia al BYDV b:!jo condiciones mexicanas. La btisqueda
de marcadores se realiz6 usando RFLPs y SSRs con sondas e iniciadores que mapean en el
cromosoma 7. La segregacihn de1 fragment0 ii~e seguida en una poblaci6n F2. El nivel de
resistencia a 10s aislamientos P;2V-Mes y hIAV-Mes
de1 BYDV se evalu6 bajo
condiciones de campo e invernndero en poblaciones F;, Fq y F5, rnidiendo el titulo de1 virus
en plantas inoculadas y contando el niunero de plantas infectadas. La resistencia
relacionada con ‘li‘ se expres6 conlo reducci6n en el titulo de1 virus y fke verificada para el
aislamiento BYDV-PAV-Me:U. Aden&, se observ6 una reducci6n en el nivel de infecci6n
en el campo, lo que sugiere la posible esistencia de un tnecanismo que interfierc en la
6
alimentacih de 10s hfidos. El SSR gwnz37 fke especifico para la identificacih
de la
translocacih y su localizacih ftle confirmada con an6lisis citogenkticos. El Programa de
Trigo Harinero de1 CIMMYT ha incorporado el LEO de este marcador en un esquema de
seleccih asistida por marcadores moleculares tendiente a seleccionar materiales con
resistencia al BYDV.
En la segunda parte de nuestra investigacih se cstudi6 10s posibles QTL,s involucrados
en la tolerancia al BYDV en dos poblaciones. Opata s Synthetic (‘oblaci6n ITMI) y
Frontana x TNIA 66, para las wales esistian datos moleculares. Se realiz6 UII experimento
de camp0 con inoculaci6u artificial usando el aislamiento BYDV-PAV-Mex.
Se evalub la
tolerancia por estimacicin visual de sintomas y midiendo parhnetros agrorhnicos. La
deteccih dc QTLs se realiz6 utilizando el mktodo por tnapeo a intervalos compuestos. Se
detect6 ~111total de 22 QTLs en la poblacih I-I‘M1 y echo en la poblacih Frontana x INIA
66; todos 10s QTLs asociados con la tolerancia fueron de efectos menores. De esta manera
se confirm6 la naturaleza polighica y comple.ja de la tolerancia al BYDV en trigo.
En la tercera parte, se esamin6 la influencia de1 genoma de diferentes lineas de trigo,
con y sin tolerancia al BYDV. en la espresi6n de la resistencia derivada de Th.
in/er*medizmz. Cinco poblaciones. segrcgando para el fragmento forhneo, fheron evaluadas
en condiciones de campo b+jo inoculacih artificial con 10s aislamicntos BYDV-PAV-Mex
y BYDV-MAV-Mex.
Las litleas que contenian el hgmento se identificaron con el
marcador SSR gwrtl3 7, y la rcsistencia se estim6 por ELISA. Se evaluaron las
caracteristicas agroncimicas de todos 10s materiales en parcelas inoculadas y no-inoculadas.
No se detectaron efectos negatives de1 fragmento en 10s caracteres agronhicos ni en 10s
parcimetros de calidad evaluados en ausencia de la enfermedad. Como se mencion6 antes,
se observ6 una disminucih significativa de1 titulo de1 virus en plantas con el fragmento
translocado, inoculadas con PAV, en progenies derivadas de las cruzas con Anza y
Bavihcora pero no con Milh. En este case el fragmento tambih estuvo asociado con una
baja frecuencia de plantas infectadas por 10s dos aislamientos de1 virus.
En conclusicin, la eficacia de la resistencia (bajos titulos de1 virus) llevada en el
fragmento forcineo he confirmada para el aislamiento BYDV-PAV-Mex,
y LIII segundo
mecanismo, escape a la infeccih, al parecer se relaciona con la alitnentacih de 10s BGdos.
El SSR gwm37, marcador confiable para identifJcar la translocacih derivada de Th.
intermedi’izrm, es ideal para la selecciiin en gran escala. Sin embargo, el use de la seleccicin
con ayuda de marcadores resulta inadecuado parn detcctar la tolerancia al BYDV en el
trigo, debido a la naturaleza polighica de la misma. Par illtimo, no se observit una
influencia negativa de1 fragmento translocado: al contrario. hubo una interaccih positiva
entre la resistencia derivada de1 fragmento y la tolerancia al BYDV.