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Research Collection 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 This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library 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.