A tetraploid búza agronómiai tulajdonságainak mennyiségi jellemzői a gabonahozam növelése érdekében Kazahsztánban

Szerepek Adatkezelés, Formális elemzés, Vizsgálat, Szoftver, Validálás, Írás - eredeti vázlat, Írás - áttekintés és szerkesztés

Növénybiológiai és Biotechnológiai Intézetek, Almaty, Kazahsztán, al-Farabi Kazah Nemzeti Egyetem, Almaty, Kazahsztán

Szerepek Adatkúra, formális elemzés, vizsgálat, írás - áttekintés és szerkesztés

Növénybiológiai és Biotechnológiai Intézet, Almaty, Kazahsztán, Kazah Nemzeti Agráregyetem, Almaty, Kazahsztán

Szerepek Konceptualizálás, módszertan, erőforrások, felügyelet, írás - áttekintés és szerkesztés

Gabona- és ipari növények hovatartozás-kutató központja, CREA, Foggia, Olaszország

Szerepek Konceptualizálás, formális elemzés, források, írás - áttekintés és szerkesztés

Gabona- és ipari növények hovatartozás-kutató központja, CREA, Foggia, Olaszország

Szerepek Konceptualizálás, formális elemzés, források, írás - áttekintés és szerkesztés

Bolognai Egyetem Agrár- és Élelmiszertudományi Tanszéke, Bologna, Olaszország

Szerepek Konceptualizálás, források, felügyelet, írás - áttekintés és szerkesztés

Bolognai Egyetem Agrár- és Élelmiszertudományi Tanszéke, Bologna, Olaszország

Szerepek konceptualizálás, adatkezelés, finanszírozás megszerzése, vizsgálat, projekt adminisztráció, felügyelet, írás - eredeti tervezet, írás - áttekintés és szerkesztés

Növénybiológiai és Biotechnológiai Intézet, Almaty, Kazahsztán, al-Farabi Kazah Nemzeti Egyetem, Almaty, Kazahsztán

Shynar Anuarbek,
Saule Abugalieva,
Nicola Pecchioni,
Giovanni Laidò,
Marco Maccaferri,
Roberto Tuberosa,
Yerlan Turuspekov

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Anuarbek S, Abugalieva S, Pecchioni N, Laidò G, Maccaferri M, Tuberosa R és mtsai. (2020) Kvantitatív tulajdonság lokuszok a tetraploid búza agronómiai tulajdonságaihoz a gabonahozam növelése érdekében Kazahsztánban. PLoS ONE 15 (6): e0234863. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0234863

Szerkesztő: Ruslan Kalendar, Helsinki Egyetem, FINNORSZÁG

Fogadott: 2020. április 23 .; Elfogadott: 2020. június 3 .; Közzétett: 2020. június 23

Adatok elérhetősége: Minden releváns adat megtalálható a dokumentumban és a kiegészítő információkat tartalmazó fájlokban.

Finanszírozás: Az YT megkapta a kutatási célú támogatást. A támogatás száma: AP05131328. A projekt időtartama: 2018-2020. A finanszírozó neve: a Kazah Köztársaság Oktatási és Tudományos Minisztériuma (https://www.gov.kz/memleket/entities/edu?lang=en). A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

A durumbúza (2n = 28, AABB, Triticum turgidum L. ssp. Durum) világszerte egyre fontosabb árucikk, amelyet a mediterrán étrend sikere vezérel, és világszerte mintegy 18 millió hektáron termesztenek [1]. 2019-ben összesen 465 ezer ha durumbúzát ültettek el Kazahsztánban [2], éves termelésük legfeljebb 500 ezer tonna gabona, exportja pedig legfeljebb 385 ezer tonna, főként Olaszországba (51%), Oroszországba (25). %), Törökország (8%) és Tunézia (5%) [3].

Világszerte a durumbúzát olyan területeken termesztik, ahol alacsony a szezonális csapadékmennyiség, és gyakran az aszály sújtja, ez a szemtermés legfőbb korlátozó tényezője [4, 5]. A különböző ökológiai fülkékben a termés teljesítményének vizsgálata fontos a búzatermesztő régiók tenyésztési tevékenységének optimalizálása szempontjából. Az elmúlt évtizedekben a tenyésztők olyan fajtákat fejlesztettek ki, amelyek rendkívül produktívak és széles körben alkalmazkodnak a kontrasztos környezetekhez [6, 7]. Kazahsztánban a búzát általában az északi pusztai zónában magasabb szélességi fokokon termesztik [8]. A durumbúza tenyésztési programjai elsősorban a megnövekedett hozampotenciálra és a korai érlelésre összpontosítanak, hogy optimalizálják a gabonahozamot és a minőséget Észak-Kazahsztán viszonyai között [9]. Ennélfogva a magas hozam elérése mind a környezeti, mind a genetikai hozamkorlátozó tényezők ismeretétől függ [10].

A búzahozamot és a kapcsolódó tulajdonságokat több kvantitatív tulajdonságlokusz (QTL) vezérli, amelyek mindegyike jelentős, bár kis hányadban járul hozzá a fenotípusos varianciához, amely általában kölcsönhatásba lép a környezeti tényezőkkel (QTL x E), és/vagy episztatikusan [11]. Ezért a kvantitatív tulajdonságok genetikai felépítésének részletes megismerése kulcsfontosságú lesz a marker-segített szelekció alkalmazásához a hagyományos tenyésztési programok szelekciójának növelése érdekében.

Anyagok és metódusok

Növényi anyagok és terepi kísérletek

Az ebben a vizsgálatban használt tetraploid búzagyűjtemény (TWC) kezdetben 225, világszerte származó hozzáférésből állt, amelyeket úgy választottak ki, hogy képviseljék az ebben a vizsgálatban értékelt szemterméskomponens-tulajdonságok fenotípusos variabilitását. A magokat a Gabona és Ipari Növények Kutatóközpontja (Foggia, Olaszország), valamint a Bolognai Egyetem Mezőgazdasági és Élelmiszertudományi Tanszéke (Bologna, Olaszország) biztosította. A panel hét vadon élő búza búzát (Triticum turgidum ssp. Dicoccoides) és a Triticum turgidum hat termesztett altípusának (nevezetesen: ssp. Durum, turanicum, polonicum, turgidum, carthlicum és dicoccum) hét csatlakozását tartalmazta. Az egyes csatlakozások nevét és származási helyét az (S1 táblázat) sorolja fel. A tetraploid búzák ezen gyűjteményének genetikai sokféleségével, populációszerkezetével és LD mintáival kapcsolatos részletekről korábban [28] és [13] írtak le. A GWAS-elemzés során nem vették figyelembe azt a 41 csatlakozást, amelyek vernalizáció és/vagy fotoperiódus követelmények miatt nem érték el a vetőmag érési szakaszát.

A TWC 184 csatlakozását az észak-kazahsztáni mezőgazdasági kísérleti állomáson növelték 2018-ban és 2019-ben, a továbbiakban NK18 és NK19, valamint Délkelet-Kazahsztánban a kazah Mezőgazdasági és Növényipari Kutatóintézet kísérleti területein, a továbbiakban: 18 SEK és 19 SEK. A két helyszín a magasság, a tengerszint feletti magasság és a talajminőség szempontjából ellentétes növekvő területeket képvisel. Az S2 táblázat részletezi a helyüket, a meteorológiai paramétereket és a talajviszonyokat.

A terepi kísérleteket randomizált, teljes blokk-terv szerint végeztük, két replikációval. Mindegyik csatlakozást két sorba ültettük, soronként 25 magot, 15 cm-es sortávolsággal, a vegetációs időszakban öntözés nélkül, tehát esőzött körülmények között.

Fenotipizálás

SNP genotipizálás

16 425 SNP marker (Illumina® iSelect 90K búza SNP assay, TraitGenetics GmbH, Gatersleben, Németország) genotipizálási adatait Nicola Pecchioni és Giovanni Laidò (Gabona- és ipari növények kutatóközpontja, Foggia, Olaszország) szolgáltatta. A genotípusos adatokat már kiszűrték a> 10% hiányzó adatokkal rendelkező markerekből, és 2 = 0,3 értéket használtak konfidencia intervallumként a vizsgált hozamkomponens tulajdonságokkal társított jelentős SNP deklarálásához. A jelentős asszociációkat egy küszöbsáv alkalmazásával választották ki P -4-nél. A Quantile-Quantile (Q-Q) ábrákat elemeztük, hogy megerősítsük a korrekciót mind a K, mind a Q mátrixok használata miatt. A durumbúza konszenzustérképen rövid térképintervallumokon (10 cM) található összes jelentős MTA-t egyetlen QTL-be csoportosítottuk. Csak azokat a QTL-eket, amelyek egynél több környezetben igazolódtak, vagy a két csoportot (teljes gyűjtemény, durum alcsoport) tekintettük stabil kapcsolatnak az értékelt tulajdonsággal.

A [36] által leírt tetraploid búza konszenzus térképét használtuk az egyes tulajdonságokhoz a QTL-hez társított SNP markerek genomiális helyének kijelöléséhez. Az MTA genetikai helyzetének grafikus ábrázolását MapChart 2.2 szoftver segítségével hajtottuk végre [37].

Az azonosított QTL-ek genetikai helyzetét összehasonlítottuk a tetraploid búzával más vizsgálatokban kapott és publikált adatokkal ugyanazokkal a tulajdonságokkal kapcsolatban. Az SNP címkézett markerek szekvenciáját az egyes QTL-ek becsült időintervallumában lekérdezésekként használtuk az InterOmics (https://www.interomics.eu/) Svevo portálon a durumbúza genomjával szembeni BLAST keresésben. Ennek a keresésnek az eredménye a találati egyezés volt, amely megfelel a fizikai helyzetjelzőnek. Ezeket a helyzeteket hasonlítottuk össze a Genom Annotation Viewerben (http://d-gbrowse.interomics.eu) a QTL-ekhez hasonló módon, a jelen vizsgálatban figyelembe vett tulajdonságokhoz kapcsolódóan.

Eredmények

Fenotípusos sokféleség

A tetraploid búzacsatlakozások terepi kísérleteit két év alatt két ellentétes környezetben hajtották végre Kazahsztánban, az ország északi és délkeleti régióiban. Száznyolcvan (184) csatlakozás 122 durumbúza-fajtából (DWV), 55 háziasított tetraploid búzából (DTW) és 7 vad emmer-csatlakozásból (WEA) (S1 táblázat) áll, amelyeket a következő agronómiai tulajdonságok alapján értékeltek: HD, SMT, NFS, NKS, PH, SL, TKW és YPP. Az YPP Pearson-korrelációs együtthatójának elemzése gyenge pozitív korrelációt igazolt két év között földrajzilag különböző kísérleti helyeken belül (1. táblázat).

Mivel a durumbúza nagy része az ország északi területein növekszik, az átlagolt NK18 és NK19 terepi adatok külön korrelációs elemzését Pearson-együtthatóval hajtották végre. Észak-Kazahsztán két környezetében a hozamértékelés nem különbözött szignifikánsan, bár a TKW 2019-ben szignifikánsan magasabb volt 2018-hoz képest (P 2. táblázat. Pearson tulajdonságainak korrelációs indexei az NK18 és NK19 terepi vizsgálatokban a durumbúza alcsoportban.

A hozamteljesítményt mindkét csatlakozási sorozatban összehasonlították a Damsinskaya yantarnaya (DY) YPP-jével, amely Észak-Kazahsztánban a standard durumbúza fajta. Megállapítottuk, hogy a YPP átlaga a DWV-ben (2,9 g ± 0,57) magasabb és a WDA-ban alacsonyabb (2,4 g ± 0,6), összehasonlítva a DY-vel (2,6 g ± 0,67) (4. táblázat). Összességében a DWV 80 és a WDA 18 hozzáférése magasabb YPP értékeket mutatott, mint a helyi szabvány. Más tulajdonságokban a DWV és a DY közötti összehasonlítás azt mutatta, hogy a HD rövidebb (legfeljebb 6 nap), az SMT hosszabb (legfeljebb 7 nap) és a PH magasabb (19,3 cm ± 4) DY-ben, míg más tulajdonságok esetében nincs szignifikáns különbség észlelték. Hasonló különbségeket rögzítettünk HD és SMT esetében a WDA és DY összehasonlító elemzéséhez. A WDA azonban magasabb volt, mint a DWV, és az SL 1,7 cm-rel rövidebb volt a DWV-ben (4. táblázat).

Az YPP-n alapuló GGE Biplot azt is javasolta, hogy a T. durum csatlakozások gyűjteményének értéke nagyobb legyen, mint Észak-Kazahsztánban a DY (S1D ábra). A diagram második koordinátája (42,0%) azt is jelezte, hogy a T. dicoccum, a T. carthlicum és a T. turanicum csatlakozásai potenciálisan javíthatják a durumbúza termésmennyiségét a régióban. A GGE Biplot kimutatta, hogy a standard fajtánál a dátum dátuma egyértelműen különbözik a hátralévő csatlakozásoktól (S1A ábra). Az SMT elemzés esetében a GGE Biplot azt javasolta, hogy a T. durum csatlakozásaival ellentétben a T. dicoccum és a T. dicoccoides csatlakozásainak magjainak érési ideje DY esetén közel azonos legyen (S1B ábra). Végül a GGE biplot a PH-ban éles kontrasztot mutatott a DY és a T. durum gyűjteménye között (S1C ábra), mivel átlagosan a DY 26,2 cm-rel magasabb volt, mint a T. durum csatlakozások között. A primitív és vad tetraploid fajok közül a T. turgidum, a T. polonicum és a T. dicoccoides a PH tartományban volt DY-ben.

A marker-tulajdonság asszociációk azonosítása két kontrasztos környezetben vizsgált TWC és DWV halmazokkal

Ebben a tanulmányban 16 425 polimorf SNP markert használtunk, amelyeket 90K SNP assay-vel nyertünk [32]. A polimorf SNP-k teljes sorozatát és a páros populációs értékeket alkalmazó PCoA arra utalt, hogy a T. durum és a T. turanicum genetikailag közelebb áll más fajokhoz képest (1. ábra). A PCoA első főkomponense (42,8%) egyértelműen elkülönítette a T. durumot a szabad cséplő fajoktól, a T. carthlicumtól és a hántolt fajoktól a T. dicoccoides és T. dicoccum. Ezenkívül a második fő komponens (31,1%) megosztotta a T. durumot és a T. turanicumot a T. polonicumtól és a T. turgidumtól.

Az egyes kromoszómák SNP marker pozícióit a [36] alapján adtuk meg. Az adaptív (zöld) és a hozammal kapcsolatos (kék) tulajdonságok QTL-je a kromoszómák jobb oldalán látható. A QTL rövidítések a tulajdonságot és a kromoszómát jelzik. A legjelentősebb SNP markerek színnel vannak kiemelve.

Az SNP marker pozícióit az egyes kromoszómákhoz rendeltük [36] alapján. Az adaptív (zöld) és a hozammal kapcsolatos (kék) tulajdonságok QTL-je a kromoszómák jobb oldalán látható. A QTL nevek a tulajdonságot és a kromoszómát jelzik. A legjelentősebb SNP markerek színnel vannak kiemelve.

A növény alkalmazkodásával kapcsolatos tulajdonságok

Három kulcsfontosságú tulajdonságot, a HD, SMT és PH értékeket külön-külön értékeltük, mivel közvetlenül kapcsolódtak a vizsgált hozzáférések növényi adaptációjához két kontrasztos helyen. A HD vizsgálat lehetővé tette a TWC elemzés során feltárt 17 QTL és a DWV készletekben 7, a TWC-ben is megtalálható QTL azonosítását (9. táblázat). Az egyes QTL-ek magyarázott fenotípusos variációinak (R 2) százaléka 10 és 48% között mozog, a marker-tulajdonság asszociációk P-értékei minimum 1.74E-04 és 1.20E-08 közötti maximális szignifikancia között változtak. Érdekes módon úgy tűnt, hogy az IWB54033 csúcs SNP markerrel rendelkező QTL (2A, 46,2 cM) összefüggésben van a 2A kromoszómán lévő fotoperiódus-érzékenységű Ppd-A génnel, és az IWB45998 marker (2B, 65,2 cM) az ismert Ppd-B1 gén közelében található (2. ábra). A többi várható mérkőzés a QHD.td.ipbb_5A.2 lokusz volt, amely a Vrn-A1 közelében található (S2B és S2E ábra), és a QHD.td.ipbb_5B.1 lokusz, amely a Vrn-B1 régióban található (ábra 3. táblázat, 6. táblázat).

Nyolc SMT QTL-t detektáltak a TWC-ben, és egyiket sem a DWV alcsoportban (2. és 3. ábra, 9. táblázat). A QTL mindegyike a fenotípusos variáció 9-33% -át magyarázta. A 3AL QTL kivételével az SMT összes többi asszociációját együtt lokalizálták a HD QTL-kel. A legerősebb összefüggés ezzel a tulajdonsággal az IWB9499-et (2B, 41,9 cM) mutatta P2-értékek szignifikanciájával (21 és 24% között), és az 1B, 4A és 5A kromoszómákon figyelték meg (5. táblázat). A vizsgált környezetekben végzett elemzés azt sugallta, hogy az IBB20993 az 1B kromoszómán (162,5 cM) (S2H és S2J ábra) és az IWA3827 az 5A kromoszómán (110,5 cM) (S2K és S2L ábra) a legstabilabb és négy környezetben szignifikáns (5. táblázat) . Az IWB20993 volt a legjelentősebben asszociált SNP marker a PH-val, és mind TWC (R2, 9%), mind DWV (R2, 21%) halmazokat azonosított. A következő legjelentősebb QTL-eket a 4A kromoszómán azonosítottuk, ahol az IWB40358 (25,7 cM) és az IWB65979 (133,2 cM) erős MTA-t mutatott (P 2 37,6% volt a DWV alcsoport vizsgálatban (7. táblázat).

Vita

A GGE Biplot hozamteljesítmény-elemzései azt mutatták, hogy a T. dicoccum, a T. carthlicum és a T. turanicum csatlakozásai szintén potenciálisan javíthatják a durumbúza termésmennyiségét a régióban (S1D ábra). Ezenkívül a többi vad tetraploid faj között a T. turgidum, a T. polonicum és a T. dicoccoides a PH tartományban volt DY-ben (S1C ábra). Ez a megállapítás fontos, mivel a helyi tenyésztők a magasabb PH-t tartják a tenyészanyag jobb alkalmazkodóképességének egyik előnyös tulajdonságának a régióban (4. táblázat).

A TWC és a DWV készlet nyolc agronómiai tulajdonságának GWAS-ját két ellentétes régióban szüretelték. A négy környezetben betakarított TWC- és DWV-készletekben a marker-tulajdonság asszociációk (MTA) azonosítására szolgáló GWAS-t hét agronómiai tulajdonság elemzésével végeztük. A teljes gyűjteményt korábban 16 425 polimorf SNP alkalmazásával genotipizálták [32]. Nevezetesen a 16 425 SNP-n alapuló PCoA azt sugallta, hogy a háziasított fajok közül a T. turanicum genetikailag a legközelebb áll a T. durumhoz (1. ábra). A GWAS lehetővé tette 40 MTA azonosítását három növény alkalmazkodási tulajdonságánál (HD, SMT és PH), és 43 MTA-t négy hozammal kapcsolatos tulajdonságnál (SL, NFS, NKS és TKW). A 83 azonosított MTA összehasonlítása a korábban durva búza GWAS-ban közzétett jelentéseivel azt sugallta, hogy 38 MTA feltehetően újszerű (9. táblázat). A fennmaradó 45 MTA-t korábban a világ más részein végzett terepi kísérletek alapján azonosították. Az ugyanazon elemzett tulajdonságokhoz tartozó, sok esetben lokalizált MTA-k megerősítik a vizsgálat érvényességét.

A HD-vel és az SMT-vel ellentétben a PH 15 azonosított MTA-jának forrása a DWV készlet volt, és a teljes TWC készlet használata ezen MTA-k közül öt feltárásában is segített, ami arra utal, hogy ezen asszociációk egyharmadának hozzájárulása a WDA-készlettel (táblázat 6). Ezért a WDA készlet gazdag forrás új gének felfedezéséhez, amelyek befolyásolják a PH-t a tetraploid búzában. Kilenc feltehetően új, három PH MTA-ra vonatkozó MTA-t is találtak TWC készlet alkalmazásával, köztük egy jelentős SNP-t a kódoló régió MTA-jában és SNP-ket két MTA-ban a nem kódoló régiókban. A PH 15 MTA-jának többségét, kivéve egy északi és négy dél-keleti telepen, mindkét helyen feltárták (S3 táblázat). A TWC készlet segítségével azonosított öt MTA-ból három, QPH.td.ipbb_4B.1 (Rht-B1), QPH.td.ipbb_5A.2 (Rht9), QPH.td.ipbb_6A.1 (Rht24) északi állomás (2. és 3. ábra).

A hozamot elősegítő tulajdonságok azonosított marker-tulajdonság társulásainak értékelése. A hozammal járulékos tulajdonságok 43 MTA-jának értékelése azt sugallta, hogy tizenhárom MTA-t azonosítottak SL-re, nyolcat NFS-re, egyet az NKS-re és 21-et TKW-re (9. táblázat). Az MTA egyikét sem térképezték fel olyan ismert specifikus gének helyzetében, amelyek ezeket a tulajdonságokat kontrollálják, kivéve két TKW-hez kapcsolódó gént (7. táblázat). Az első esetben az ebben a vizsgálatban azonosított QTKW.td.ipbb_6A.1 (58,5–87,1 cM) a TaGW2-6A gén (szemcseméret és tömeg negatív szabályozója) közelében helyezkedett el [54, 36]. Másodsorban az ebben a vizsgálatban azonosított QTKW.td.ipbb_7A.1 (111,1 cM) TaPPH-7A helyzetben került feltérképezésre (részt vesz a klorofill lebontásában, tovább befolyásolja a növények hozamát és minőségét). [50] (7. táblázat).