Detailed genetic approach to improve frost tolerance of German winter faba beans

Abstract

Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um - basierend auf 208 hochgradig homozygoten Inzuchtlinien - genetisch die Frosttoleranz von Ackerbohnen (Vicia faba L.) zu analysieren. Die Inzuchtlinien sind in drei Sätzen organisiert: Original-Satz (N=208, O-Satz), Winterbohnen-Satz (N=196, WB-Satz; eine Untermenge des O-Satzes), und Assoziations-Satz (N=186, A-Satz; eine Untermenge des WB-Satzes). Alle Experimente fanden statt: in der sog. Frost-Kammer (Pflanzenwuchskammer), im Gewächshaus, im Molekulargenetischen Laboratorium, oder im Zuchtgarten (Versuchsstation Reinshof der Georg-August-Universität Göttingen). Insgesamt wurden 65 morphologische Merkmale (Saison 2011/2012 und 2012/2013), physiologische Merkmale (Saison 2011/2012), und Feld-Merkmale (Saison 2012/2013) erfasst. Daraus werden 25 Merkmale für diese Studie hier verwendet. Mittels des A-Satzes und mit 156 polymorphen SNP-Markern wurde eine Assoziationsanalyse durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchung war, eine markergestützte Züchtung auf Frosttoleranz bei der Ackerbohne vorzubereiten, und also QTLs für Frosttoleranz für zukünftige Zuchtprogramme zu detektieren. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden. 1- Es wurde eine hohe genetische Variation zwischen allen Linien (Original-Satz) beobachtet, für alle acht morphologische Merkmale, die an Spross und Wurzel von Ackerbohnen-Jungpflanzen erfasst wurden. Die Pflanzen wurden über 10 Tage (5°C) gehärtet und dann während dreier Nächte einem Frost ausgesetzt (-16°C, -18°C, -19°C). Alle Merkmale zeigten eine hohe Wiederholbarkeit (h²), die Schätzwerte reichten von h2=59,45 für Wurzel-Frostempfindlichkeit bis zu h2=94,71 für den Blattturgor- und Blattfarbverlust. Darüber hinaus wurden hochsignifikante phänotypische und genotypische Korrelationen zwischen den morphologischen Merkmalen unter Froststress entdeckt. Die genotypischen Korrelationen zwischen den Merkmalen waren höher als die phänotypischen Korrelationen. Die höchste genetische (rg=-0,96) und phänotypische (rp= -0,83**) Korrelation wurde zwischen dem Wiederaufwuchs und der Wurzel-Frostempfindlichkeit gefunden. Zur Charakterisierung der Frosttoleranz von Ackerbohnen wurden drei Selektionsindices berechnet. Der wichtigste war der Frosttoleranz-Index, weil er zwei Schlüsselaspekte kombiniert: die Überlebensneigung und den Wiederaufwuchs. Diese hohe genetische Variation, phänotypische Korrelation, genotypische Korrelation, und hohe Wiederholbarkeit versprechen, dass ein Ausleseprozess zur erblichen Verbesserung der Frosttoleranz fruchtbar und effektiv wäre. 2- Als physiologische Parameter mit Beziehung zur Frosttoleranz der Ackerbohne wurde die Fettsäurezusammensetzung nach Härtung (5°C) und der relative Sproßwassergehalt (vor und nach Frost) studiert. Für diese physiologischen Parameter wurde der WB-Satz benutzt. Die genetische Variation in den aufgefundenen Fettsäure-Gehalten und im relativen Sproßwassergehalt wurde festgehalten. Alle physiologischen Kennwerte zeigten sehr hohe Wiederholbarkeitsschätzwerte (62,78 < h2 < 89,04). Wir erwartet war die Korrelation zwischen den ungesättigten Fettsäuren und den gesättigten Fettsäuren negativ (rp = -0,62, rg = -0,84**). Eine Erhöhung der ungesättigten Fettsäuren geht in Ackerbohnen bekanntermaßen mit einer Verringerung der gesättigten Fettsäuren einher. Eine ähnlich negative und signifikante Korrelationen (r = -0,20**) wurde zwischen dem Wassergehalt nach Frost und dem Wassergehalt vor Frost (nach Härtung) gefunden. Es ist gängiges Wissen, dass die Frosttoleranz von Pflanzen mit der Fähigkeit der Pflanzen assoziiert ist, die Eiskristallbildung während des Frosts im Spross- und Wurzelgewebe zu modulieren. Es wurden signifikante Korrelationen zwischen morphologischen und physiologischen Merkmalen gefunden. Der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren war mit dem Frosttoleranz-Index positiv korreliert (r = 0,22**). Darüber hinaus war die Verringerung des Wassergehaltes durch Froststress hochsignifikant korreliert mit allen morphologischen Merkmalen. Solche Korrelationen bieten eine verbesserte Beschreibung des physiologischen Verhaltens, welches die Pflanzen dem Frost gegenüber zeigen. 3- Der WB-Satz wurde auch benutzt, um die genetische Variation der Winterhärte der Genotypen in einem einjährigen Feldversuch zu überprüfen. Eine hohe, signifikante Variation wurde für alle Feldmerkmale gefunden. Die Wiederholbarkeitsschätzwerte reichten von 61,98 für Kornertrag (g/2m2) bis zu 92,03 für Blühbeginn. Die Linien S_299 und S_271 kombinierten hohe Winter-Überlebensraten mit niedriger Frostanfälligkeit des Blattes und mit hohem Kornertrag unter Feldbedingungen. Dieselben Genotypen rangierten bei den Besten für Frosttoleranz in den Frostkammer-Experimenten. Interessanterweise zeigten mehrere Feldmerkmale signifikante Korrelationen mit Merkmale aus der Frostkammer. Die höchste Korrelation (r=0,39**) war die zwischen Wiederaufwuchs (Frostkammer) und Winter-Überlebensrate (Feld). 4- Um die Verbesserung der Frosttoleranz der Ackerbohne weiter nach vorne zu bringen, wurde ein Assoziationsanalyse-Ansatz mit dem A-Satz gefahren. Als Ergebnis liegen nun 70 mutmaßliche QLTs vor, die sieben morphologische Merkmale (Überlebensneigung, Blattturgor- und Blattfarbverlust, Frosttoleranz-Index, Wuchshöhe, Index1, Index2, und Sproß-Frischmasse nach Frost) und sechs physiologische Merkmale (Gehalt an gesättigten Fettsäuren, Gehalt an ungesättigten Fettsäuren, relativer Wassergehalt vor Frost, relativer Wassergehalt nach Frost, Verringerung des Wassergehaltes durch Froststress, und C16:0-Gehalt, also Palmitinsäuregehalt) betreffen. Das Gametenphasenungleichgewicht zwischen Marker-Loci zeigte ein sehr niedriges Niveau (r2=0,00075). Darüber hinaus zeigt die Hauptkoordinatenanalyse für genetische Distanzen zwischen den A-Satz-Linien keine offensichtliche Struktur in dieser Linienpopulation. Mehrere Marker zeigten eine signifikante Assoziation mit mehr als einem Merkmal, was ernstlich die Hoffnung erhöht, dass der markergestützte Ausleseansatz für die Verbesserung der Frosttoleranz bei der Ackerbohne genutzt werden kann.