Genetic Analysis of Heterosis in Rapeseed (B. napus L.) by QTL Mapping

Abstract

Der Begriff Heterosis oder Hybridwüchsigkeit bezieht sich auf das Phänomen, dass die direkten Nachkommen genetisch unterschiedlicher Inzuchtlinien oft eine größere Biomasse, schnellere Entwicklung und größere Fertilität aufweisen, als das Elternmittel oder sogar der bessere Elter. Während die praktische Anwendung der Heterosis in der Pflanzenzüchtung durch die Entwicklung von Hybridsorten bei vielen Kulturpflanzen sehr erfolgreich ist, ist das wissenschaftliche Verständnis des Phänomens nicht weit fortgeschritten. In der vorliegenden Studie wurden eine DH-Population von 250 Linien zusammen mit den korrespondierenden Testkreuzungen im Gewächshaus und in Feldversuchen an vier Orten angebaut und analysiert um phänotypische Daten für eine Analyse der Heterosis bei Raps auf der Ebene einzelner QTL zu gewinnen. Die wesentlichen Ziele der Studie waren dabei:1. Bestimmung der Höhe der Heterosis für agronomisch wichtige Merkmale.2. Identifizierung und Lokalisation sowie Schätzung der phänotypischen Effekte von QTL für heterotische Merkmale (Kornertrag und Ertragskomponenten, frühe Biomasse, Pflanzenhöhe), phenologische Merkmale (Blühbeginn, Blühende und Blühdauer) und Qualitätsmerkmale (Öl-, Protein-, Glucosinolat-, Erucasäure- und Sinapingehalt).3. Bestimmung der Beiträge unterschiedlicher genetischer Effekte wie Dominanz, Überdominanz und Epistasie zur Ausprägung der Heterosis in Raps4. Untersuchung der Korrelation zwischen Heterozygotie bestimmt mit molekularen Markern und der Hybridleistung5. Nachweis von hot spots für QTL, die die Heterosis kontrolierenUm die genetische Basis der Heterosis in Raps aufzuklären wurden QTL-Analysen in drei verschiedenen Datensätzen durchgeführt, die es erlaubten, jeweils unterschiedliche genetische Effekte von QTL zu erfassen. Als Voraussetzung für die QTL-Kartierungen wurde zunächst eine neue genetische Kopplungskarte in einer spaltenden F1DH-Population von 250 Linien aus einer Kreuzung zwischen der Winterrapssorte Express und der resynthetisierten Linie R53 erstellt. Bei den für die QTL-Kartierung verwendeten Datensätzen handelte es sich um die phänotypischen Daten der DH-Population selbst, den Daten einer Population von Testhybriden aus Kreuzungen zwischen den DH-Linien und einer männlich sterilen Linie von Express (MSL-Express) sowie der Heterosis der Testhybriden, jeweils bezogen auf das Elternmittel zwischen DH-Linie und zugehöriger Hybride. Mit Hilfe dieser Datensätze konnten die Additiv- und Dominanzeffekte sowie epistatischen Interaktionen der Loci, welche die untersuchten Merkmale kontrollieren, geschätzt werden. Die phänotypischen Daten für die QTL-Kartierung wurden in einjährigen Feldversuchen an vier Orten erhoben, die entsprechend einer Gitter Anlage des Typs 26 x10 aufgebaut waren. Um auf der einen Seite Konkurrenzeffekte zwischen den DH-Linien und den wüchsigeren Hybriden auszuschließen, die korrespondierenden Genotypen aber unter so ähnlichen Bedingungen wie möglich zu prüfen, wurden DH-Linien und Hybriden in getrennten aber parallelen Beeten angebaut, wobei DH-Linie und korrespondierende Hybride jeweils an gleicher Position im entsprechenden Beet standen. Von den 14 untersuchten Merkmalen zeigten die frühe Biomasse und der Kornertrag die höchsten Heterosiswerte, was darauf hindeutet, dass komplexere Merkmale eine höhere Heterosis aufweisen. Für die neun untersuchten heterotischen Merkmale (frühe Biomasse, Kornertrag, Tausendkorngewicht, Samen pro Schote, Schoten pro dm2, Pflanzenhöhe, Blühbeginn, -ende und dauer) konnten 60 QTL mit additiven Effekten im Datensatz der DH-Population identifiziert werden. Von 27 dieser QTL, die kongruent mit Loci waren, die im Datensatz der Testkreuzungen bzw. im Heterosisdatensatz Dominanzeffekte gezeigt hatten, konnte der Dominanzgrad bestimmt werden. Dabei zeigten 11 QTL partielle Dominanz, 2 volle Dominanz und 14 Überdominanz. Von den 37 QTL, die für die fünf Qualitätsmerkmale (Öl-, Protein-, Glucosinolat-, Erucasäure- und Sinapingehalt) kartiert werden konnten, bei denen nur sehr geringe oder keine Heterosis beobachtet worden war, zeigten nur 3 QTL Überdominanz, einer volle und 7 partielle Dominanz. Die Ergebnisse der QTL-Kartierung für Erucasäure- und Glucosinolatgehalt zeigten andererseits, dass das Fehlen von Heterosis auf der Merkmalsebene nicht die Existenz von Dominanzeffekten an einzelnen Loci ausschließt. Bei beiden Merkmalen wurden QTL mit positiven wie negativen Dominanzeffekten beobachtet, die sich, da von vergleichbarer Größenordnung, in der Population aufheben. Die Analyse epistatischer Interaktionen in den Datensätzen der DH-Population, der Heterosis und der Testkreuzungen führte zu Kartierung von 99, 112 bzw. 101 Locuspaaren mit signifikanten digenen Interaktionen. Die meisten dieser Interaktionen (85) traten zwischen Loci auf, die als Einzelloci keinen signifikanten Effekt gezeigt hatten. In der gegenwärtigen Studie wurde bei keinem Merkmal eine signifikante Korrelation zwischen der allgemeinen, genomweiten Heterozygotie und der Höhe der Heterosis gefunden. Dieses Ergebnis und die Ergebnisse der QTL-Kartierungen zeigen deutlich, dass die Heterosis beim Raps durch spezifische Loci, die häufig Überdominanz zeigen, bestimmt wird, d. h. der heterozygote Zustand an diesen spezifischen Loci ist weit wichtiger für die Hybridwüchsigkeit als die mittlere Heterozygotie des Genotyps. In drei Regionen des Rapsgenoms auf den Kopplungsgruppen N11, N12 und N19 konnten sog. hot spots für QTL identifiziert werden, die eine auffällige Häufung von QTL mit Additiv- und Dominanzeffekten enthielten. Die drei Regionen enthalten QTL für frühe Biomasse, Kornertrag, Tausendkorngewicht, Samen pro Schote, Schoten pro dm2, Pflanzenhöhe, Blühbeginn, -ende und dauer sowie Öl- und Glucosinolatgehalt. Trotz der extremen genetischen Komplexität der untersuchten Merkmale bei denen die Heterosis und Merkmalsausprägung durch eine Vielzahl von epistatischen Interaktionen beeinflusst wird, was eine markergestützte Selektion erschweren würde, könnten einige QTL mit relativ großen Dominanzeffekten und die drei hot spots für die praktische Züchtung von Interesse sein. Mit Hilfe der markergestützten Selektion könnten die Allele von QTL, die Überdominanz gezeigt haben, gezielt auf unterschiedliche Genpools verteilt werden, um die Heterosis in F1-Hybriden aus Kreuzungen zwischen den Pools zu maximieren. Durch die Kartierung von QTL, die an der Ausprägung von Heterosis beteiligt sind, hat die vorliegende Studie das erste Mal Erkenntnisse zum Beitrag verschiedener genetischer Effekte, also partielle, volle und Überdomianz sowie epistatische Interaktionen, zur Heterosis im Raps geliefert. Die QTL-Kartierung in einer Population die von einer einzelnen Kreuzung stammt kann aber nur der erste Schritt in einer molekularen Analyse eines quantitativen Merkmals sein. Ein zweiter Schritt sollte die Verifikation der gegenwärtigen Ergebnisse in anderen Populationen einschließen. Weiterhin könnte eine Feinkartierung ausgewählter QTL mit starken Effekten auf die Heterosis in fortgeschrittenen Rückkreuzungspopulationen, die über markergestützte Selektion zu entwickeln wären, durchgeführt werden.