Comparative QTL mapping in diploid and alloploid Brassica species to analyze fixed heterosis

Abstract

Bei der Evolution der Pflanzen spielte die spontane Hybridisierung verwandter Arten durch Kombination ihres Genoms (Allopolyploidy) eine wichtige Rolle. Einer der Gründe für den Erfolg von Allopolyploiden ist die positive Interaktion zwischen homöologen Genloci, die den positiven Interaktionen zwischen unterschiedlichen Allelen ähnelt, welche zu klassischer Heterosis bei heterozygoten Genotypen führen. Selbst bei homozygoten Genotypen sollten diese positiven Interaktionen zwischen homöologen Loci in einer Mehrleistung der Alloployploiden verglichen mit ihren Elternlinien resultieren. So können diese günstigen epistatischen Interaktionen als fixierte Heterosis bezeichnet werden. Brassica napus mit seiner Genomzusammensetzung AACC bietet sich als Modellsystem für Untersuchungen von fixierter Heterosis und intergenomischer Dominanz an, da resynthetisierte Linien einfach aus den diploiden Eltern B. rapa (AA) und B. oleracea (CC) erstellt werden können. Außerdem ist es möglich auch Genotypen mit der Zusammensetzung AAAC oder ACCC zu produzieren. Indem man diese Genotypen mit dem Mittel ihrer Eltern (AA und AACC, AACC und CC) vergleicht, kann man das Vorkommen von intergenomischer Dominanz untersuchen. Das Ziel dieser Arbeit war es (i) die intergenomischen Dominanzeffekte für unterschiedliche Anteile von A und C Genom in Tetraploiden und Triploiden zu analysieren und (ii) eine vergleichende QTL Kartierung für fixierte Heterosis zwischen den Elternlinien B. rapa und B. oleracea und der Allopolyploiden durchzuführen. Für die Untersuchungen der intergenomischen Dominanz wurden alle zwischen den diploiden und tetraploiden homozygoten Elternlinien möglichen Kreuzungen erstellt. Hierzu wurde in zwei verschiedenen Kombinationen von A und C Genomen gekreuzt: eine B. rapa var. oleifera mit einer B. oleracea var. alboglabra und eine B. rapa var. trilocularis mit einer B. oleracea var. Alboglabra. Die Samen wurden durch Knospenbestäubung produziert und für die Kreuzung aus AACCxCCCC wurden zusätzlich mit Hilfe von embryo rescue Pflanzen erstellt. Im Gewächshaus wurden dann mit zwei Wiederholungen mit je zwei Pflanzen in vier randomisierten Blöcken und bei den embryo rescue Pflanzen mit vier randomisierten Blöcken mit jeweils vier Pflanzen Biomasseversuche durchgeführt. Dreiunddreißig Tage nach der Aussaat, bzw. nach dem Überführen in Erde, wurden die überirdische Biomasse und das Trockengewicht bestimmt. Im Vergleich zwischen den Tetraploiden wiesen die Resynthesen über alle Versuche das höchste Gewicht auf. Die ACCC-Kombinationen waren einmal beim normalen Aussatversuch und einmal bei den durch embryo rescue erhaltenen Pflanzen signifikant besser als die tetraploide B. oleracea und besser als das Mittel beider Eltern. Bei den diploiden Formen wiesen die AAC Genotypen einen mit dem besseren Triploid AAA vergleichbaren Biomasseertrag auf. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein intergenomischer Effekt auftritt, ebenso wie fixierte Heterosis, die in den AAC Genotypen zu beobachten war. Das Ausmaß der Effekte war jedoch stark vom ausgewählten genetischen Material abhängig und kann so nicht verallgemeinert werden. Das genetische Material für die vergleichende QTL-Kartierung bestand aus zwei homozygoten Brassica rapa Linien (subspecies trilocularis und olifeira) und zwei homozygoten Brassica oleracea var. alboglabra Linien. Die Linien wurden anhand ihres in früheren Studien gemessenen Anteils an fixierter Heterosis ausgewählt. Die Resynthesen dieser vier Linien wiesen eine fixierte mittlere Elternheterosis zwischen 49.9% und 70.5% auf. Zu jeder Kreuzung zwischen den zwei B. rapa und den zwei B oleracea Linien wurden jeweils 150 rekombinante Inzucht Linien (RILs) erstellt und für die Kreuzung zwischen den zwei resultierenden Resynthesen wurden 222 Linien erstellt. Da fixierte Heterosis nicht von der Heterozygotie abhängt, bestehen die Kartierungspopulationen aus homozygoten Pflanzen (anstatt Testkreuzungen, die bei der Analyse von klassischer Heterosis benötigt werden). Um den Beitrag einzelner Gene zur fixierten Heterosis via QTL-Kartierung zu bestimmen, wurden drei Populationen entwickelt. Zwei davon in den diploiden Elternlinien, die je nur für die Loci im A und C aufspalten und eine dritte, die für beide Loci segregiert. Die RIL wurden durch Einzelsamennachkommenschaften fünf- bis sechsmal geselbstet. Die phänotypischen Daten, die für die QTL-Kartierung benötigt werden stammen, aus einem Gewächshausversuch, wobei die frühe Frischbiomasse und die Trockenmasse 18 und 22 Tage nach der Aussaat bestimmt wurden. Vier Wiederholungen mit acht Pflanzen je Wiederholung wurden hierzu in einem Alpha-Lattice-Design ausgelegt. Für alle untersuchten Eigenschaften waren die Genotypen der drei Populationen signifikant verschieden. Außerdem konnte ein Ausmaß an fixierter Heterosis von 33.3% bis 48.9% im Vergleich zum Elternmittel für die verschiedenen Merkmale bestimmt werden. Die drei Populationen wurden mit 28 Amplified Fragment Length Polymorphism (AFLP) Markern untersucht, wobei zwischen 276 und 297 Markerdatenpunkte erhalten worden sind. In der Allopolyploiden wurden außerdem 20 Single Sequence Repeats (SSR) Primer benützt, um ein Alignment mit Genkarten aus anderen Studien zu ermöglichen. Die daraus resultierenden Kopplungskarten hatten eine Größe von 1850 cM in B. rapa bestehend aus 10 Kopplungsgruppen, 1546.1 cM und 15 Kopplungsgruppen in der B. oleracea Population und 2373.4 cM auf 23 Kopplungsgruppen bei den B. napus Linien. Bei der Analyse der Haupteffekt-QTL konnten in der Allopoplyploiden 29 QTL gefunden werden. Achtzehn QTL wurden in B rapa detektiert, acht davon korrespondierten mit QTL die in der Allopolyploiden gefunden wurden. In B. oleracea konnten 30 Haupteffekt-QTL beobachtet werden, wovon ebenfalls acht auch in der Allopolyploiden auftauchten. Außerdem konnten QTL detektiert werden, die in allen drei Populationen in den korrespondierenden Regionen im A und C Genom auftauchten. Die QTL-Kartierung für epistatische QTL resultierte in 52 epistatischen Locipaaren, wobei sechs der digenischen Interaktionen zwischen Loci waren, die einen signifikanten Additiveffekt aufwiesen. Für fünf Loci wurde ebenfalls ein Haupteffekt-QTL detektiert. Anhand des Ergebnisses dieser Studie konnte nachgewiesen werden, dass es möglich ist, QTL innerhalb verschiedener Brassica-Spezies zu vergleichen und dass es QTL für fixierte Heterosis gibt. Obwohl als Merkmal die frühe Biomasse gewählt wurde, konnten einige der detektierten QTL nahe bei hot spots auf N6, N7 und N16 für Ertrag und Heterosis aus anderen Forschungsgruppen lokalisiert werden. Die Interaktionen zwischen homöologen Chromosomen scheinen einen Effekt zu haben, den man als fixierte Heterosis bezeichnen kann. Dieser Effekt ist bereits dann nachweisbar, wenn nur eine Kopie eines Allels vorliegt. Weitere Forschungsarbeiten zu diesem Mechanismus und besonders zum Verständnis von Epistasie sind notwendig, bevor dieser Vorteil auch in der praktischen Züchtung genutzt werden kann.