Genetic mapping of QTL controlling salt tolerance and glucosinolates in Brassica napus and Brassica oleracea

Abstract

Zusammenfassung Brassica-Arten sind von großer Bedeutung für die menschliche Ernährung und für die Tierernährung. Brassica napus ist hinter der Sojabohne die zweit wichtigste Ölsaat. Brassica oleracea umfasst mehrere wichtige Gemüseformen. Die Produktivität dieser Arten wird weltweit durch Versalzung als ein biotischer Stressfaktor beeinträchtigt. Die Salztoleranz ist abhängig von der Pflanzenentwicklung, also stadienspezifisch, artspezifisch und organspezifisch. Im Vergleich zu unseren Kenntnissen über Samenglucosinolate ist wenig über die genetische Kontrolle von Blattglucosinolaten bekannt. Die Arbeit hat folgende Zielsetzungen: (1) den Einfluss von Salzstress auf zwei Entwicklungsstadien zu untersuchen, und zwar auf die Keimung und die Jungpflanzenentwicklung, und in doppel-haploiden (DH) Populationen von B. napus und B. oleracea QTL (Quantitative Trait Loci) für Salztoleranz in beiden Entwicklungsstadien zu kartieren, und (2) die Variation im Blatt-GSL Gehalt zu untersuchen und QTL zu kartieren für den GSL Gehalt in einer Kontrolle und unter Salzstress. Der Einfluss von Salzstress auf die Keimfähigkeit wurde an drei DH Populationen untersucht, zwei B. napus und eine B. oleracea Population. Die beiden erstgenannten Populationen wurde aus Alesi × H30 bzw. Mansholts × Samourai entwickelt. Die B. oleracea Population entstand aus der Kreuzung zwischen der „rapid cycling“ Linie TO1000DH3 (TO) und einer DH Linie aus dem Broccoli Early Big (EB). Die Anzahl DH Linien 138 Für die QTL Analysen wurde eine framework map verwendet mit 188, 208 bzw. 128 Markern für die Populationen Alesi × H30, Mansholts × Samourai bzw. TO × EB. Die Versuche wurden mit den Salzkonzentrationen 200 mM NaCl für B. napus und 100 mM NaCl für B. oleracea durchgeführt. Von jeder DH Linie wurden 10 Samen in 9 cm Petrischalen auf Filterpapier ausgelegt, das mit 5 ml Leitungswasser als Kontrolle bzw. 5 ml Salzlösung befeuchtet war. Die Petrischalen wurden bei 20 °C im Dunkeln inkubiert. Die Anzahl gekeimter Samen wurde täglich gezählt. Unter Salzstress war die Keimfähigkeit signifikant reduziert und die Keimgeschwindigkeit verlangsamt. Einige DH Linien übertrafen dabei ihre Eltern mit einer höheren Keimfähigkeit und Keimgeschwindigkeit. Es konnten für alle untersuchten Merkmale mehrere QTL identifiziert werden. Einige dieser QTL beeinflussen die Merkmalsausprägung sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress, während andere QTL nur entweder in der Kontrolle oder in der Stressvariante auftreten. Der Einfluss von Salz auf die Jungpflanzenentwicklung wurde in der B. napus DH Population Mansholts × Samourai und in der B. oleracea Population TO × EB untersucht. Von jeder Population wurden die DH Linien und die Eltern in Topfversuchen im Gewächshaus bei halbkotrollierten Bedingungen angezogen. Die Salzkonzentrationen waren 200 mM NaCl für B. napus und 100 mM NaCl für B. oleracea. Die erfassten Merkmale waren Frischgewicht (FW), Trockengewicht (DW), Chlorophyllgehalt (SPAD), relativer Wassergehalt (RWC), Natriumgehalt (Na+ mg/g DM), Kaliumgehalt (K+ mg/g DM) sowie das Natrium/Kalium-Verhältns (Na+/K+). Der Salzstress begann 21 Tage nach Aussaat und der Versuch wurde 35 Tage nach Aussaat beendet. In beiden Populationen trat für alle Merkmale eine signifikante Variation auf. In beiden Populationen war das Wachstum unter Salzstress gehemmt, wobei FW und DW sehr stark reduziert waren während der RWC nur eine leichte Reduktion zeigte. Die anderen Merkmale zeigten unter Salzstress einen Anstieg mit Ausnahme von K+ in der B. oleracea Population. Die SPAD Werte zeigten einen Anstieg. Auch Na+ mg/g DM und Na+/K+ zeigten einen starken Anstieg. Der K+ Gehalt stieg in der B. napus Population unerwartet an, während er in der B. oleracea Population abnahm. Das Aufrechterhalten von hohen K+ Konzentrationen unter Salzstress ist ein Merkmal für Salztoleranz. Diese Ergebnisse unterstützen frühere Ergebnisse dass B. napus eine höhere Salztoleranz hat als B. oleracea. In beiden Populationen wurde sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress eine Reihe von QTL identifiziert. In der B. napus Population wurden auf verschiedenen Kopplungsgruppen (LG) QTL „hotspots“ entdeckt. Der größte „hotspot“ lag auf LG C3. Auch in der B. oleracea Population wurde auf LG C3 ein „hotspot“ entdeckt mit QTL für mehrere Merkmale. Hier liegen also in derselben Region des Genoms Gene für mehr als nur ein Merkmal sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress. Die Variation dieser Merkmale wird entweder von einem Gen mit pleiotropem Effekt gesteuert oder von mehreren unabhängigen Genen. Regionen mit QTL für mehrere Merkmale sind von großem Interesse weil dadurch mehr als nur ein Merkmal gleichzeitig verbessert werden kann. Unter den gleichen Bedingungen wurde in den beiden B. napus bzw. B. oleracea Populationen auch die Variation in den Blatt-GSL untersucht. Die Elternlinien beider Populationen unterschieden sich stark in GLS Gehalt und Zusammensetzung. In der B. napus Population hatte Mansholts einen im Vergleich zu Samourai hohen GSL Gehalt sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress. Unter Salzstress verhielten sich die beiden Eltern unterschiedlich, Mansholts zeigte einen Anstieg und Samourai eine Abnahme des GSL Gesamtgehalts. In der B. oleracea Population zeigte die Elternlinie TO eine höheren GSL-Gehalt als der Elter EB. Die einzelnen GSL Komponenten zeigten in beiden DH Populationen eine Abnahme bei Salzstress mit Ausnahme von RAA und GBC bei B. napus und GBC bei B. oleracea. Aufgrund ihrer antioxidativen Eigenschaften könnte der Anstieg von RAA und GBC dazu dienen die ROS zu detoxifizieren, die als Reaktion auf Salzstress produziert wurden. Mehrere QTL wurden sowohl in der Kontrolle als auch unter Salzstress kartiert. In der B. napus Population wurden QTL „hotspots“ in Regionen identifiziert in denen bereits früher QTL für Samen-GSL lokalisiert wurden. Dies war vor allem auf LG A9 und LG C2 der Fall. In der B. oleracea Population wurden QTL „hotspots“ auf LG C9 und LG C7 lokalisiert. Das gleichzeitige Auftreten von QTL an derselben Position lässt sich teilweise dadurch erklären dass es sich um Komponenten derselben GSL Gruppen handelt.

Es gab keine Übereinstimmung zwischen den QTL für die Keimfähigkeit unter Salzstress und den QTL für Variation bei Jungpflanzen. Dies weist darauf hin dass für die Salztoleranz während der Pflanzenentwicklung unterschiedliche Mechanismen verantwortlich sind. Durch die Kombination von QTL für Salztoleranz in den unterschiedlichen Entwicklungsstadien lässt sich eine verbesserte Anpassung an Salzstress erreichen.