Genetik der Samenfarbe in Brassica napus : QTL-Kartierung, Kandidatengene und Assoziationen mit Qualitätsmerkmalen

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Studie war die Aufklärung der genetischen Kontrolle der Samenfarbe in verschiedenen Winterraps-Kreuzungen durch die Lokalisierung von quantitativen Merkmalsloci (quantitative trait loci, QTL) für Samenfarbe und assoziierte Merkmale. Gelbe Rapssamen zeigen einen gegenüber schwarzen Samen erhöhten Öl- bzw. Proteingehalt, wegen des Vorkommens gemeinsamer Vorstufen in der Lignin- und Pigmentbiosynthese kann auch ein geringerer Rohfasergehalt angenommen werden. Dieser wird wesentlich vom ADF-Gehalt beeinflusst (acid detergent fibre: Lignin und Cellulose) und spielt eine wichtige Rolle für die Gesamtqualität und weitere Verwertbarkeit des Raps-Presskuchens nach der Ölextraktion. Je eine Winterraps-DH- bzw. F2-Population wurden hierzu untersucht, welche auf Kreuzungen zwischen jeweils einer unterschiedlichen Gelbsamigkeitsquelle und verschiedenen schwarzsamigen Eltern zurückgingen (YE1 = T 25629 x DH 26-96 , bzw. YE2 = Express 617 x 1012-98 ). Mit der Hilfe von 197 bzw. 252 AFLP- und SSR-Markern wurden genetische Karten für YE1 bzw. YE2 entwickelt, die bei einer Gesamtgröße von 1320 bzw. 2953 cM 22 bzw. 21 Kopplungsgruppen umfassen. Nach Erstellung einer Konsensus-Karte mit Hilfe von Brückenmarkern sowie durch Abgleich mit publizierten Rapskarten konnten in beiden Populationen zwei korrespondierende QTL für Samenfarbe gefunden werden, zusammen mit einem dritten Neben-QTL in YE2. Bei dem Haupt-QTL handelt es sich in beiden Kreuzungen um einen hochsignifikanten Major-Locus auf Kopplungsgruppe 18, der 62,4% (YE1) bzw. 58,8% (YE2) der phänotypischen Varianz für Samenfarbe bewirkt. Der jeweils zweite QTL, ein Minor-Locus, liegt auf Kopplungsgruppe 15 und erklärt 9,3% (YE1) bzw. 19,9% (YE2) der phänotypischen Varianz. Aufgrund der Existenz von eng mit diesen beiden QTL gekoppelten, übereinstimmenden AFLP-Markern ist anzunehmen, dass es sich in beiden Fällen um jeweils identische Loci in den unterschiedlichen Kreuzungen handelt. Der dritte, nur in der Population YE2 detektierte QTL für Samenfarbe erklärt als Minor-Locus weitere 8,7% der phänotypischen Varianz. Interessanterweise wurde für den ADF-Gehalt sowohl in YE1 und YE2 ein QTL zusammen mit dem Haupt-QTL für gelbe Samenfarbe auf Kopplungsgruppe 18 lokalisiert; dieser erklärt 27,3 bzw. 24,6% der phänotypischen Varianz. Ein weiterer ADF-QTL in YE2 findet sich auf Kopplungsgruppe 11, und insgesamt zeigte der ADF-Gehalt eine hohe Korrelation mit der Samenfarbe (YE1: r2=0.88; YE2: r2=0.74). Anhand der kombinierten QTL- und Segregationsdaten für Samenfarbe und ADF-Gehalt (zweigipfelige Verteilung von schwarz- zu nicht-schwarzsamigen bzw. hoch-ADF- zu reduziert-ADF-haltigen Genotypen) in den beiden B. napus-Populationen wird vorgeschlagen, daß die Samenfarbe in B. napus durch ein dominantes Gen kontrolliert wird, während ein (YE1) bzw. zwei (YE2) epistatische Gene Einfluss auf die Pigmentbiosynthese haben könnten. Das Vorhandensein eines oder zweier dominanter Allele an dem Hauptgen-Locus für Samenfarbe bedingt nach diesem Vererbungsmodell immer einen nicht-schwarzsamigen Phänotyp. Zudem trägt es zu einer Verringerung der Rohfaser bei, woraus die enge Korrelation zwischen Samenfarbe und ADF-Gehalt herrührt. Hinsichtlich bekannter Gene, die hieran beteiligt sein könnten, stellen homeologe Varianten der transparent testa-(tt)-Gene aus Arabidopsis thaliana aussichtsreiche Kandidaten dar. Insgesamt sollte eine auf den Ergebnissen dieser Studie beruhende, marker-gestützte Züchtung die Erzeugung reinerbiger, hellsamiger Winter-ölrapssorten mit verbesserter Schrotqualität beschleunigen - sowohl in Hinblick auf eine Verwendung des Pressrückstandes als Futtermittel als auch als Basis für die Gewinnung von hochwertigem Protein für die Tierernährung.

The aim of this study was to elucidate the genetic control of seed color in different winter rapeseed crosses via a localisation of quantitative trait loci (QTL) for seed color and associated traits. Yellow rapeseeds exhibit an increased oil and/or protein content in comparison to black seeds, and due to the existance of shared precursors in lignin and pigment biosynthesis, a reduced fibre content can be assumed. The latter is strongly affected by the content of acid detergent fibre (ADF), which consists of lignin and cellulose. As an essential component, it determines the overall rapessed quality and further utilization of the seed meal after oil extraction. By crossing two independent sources for yellow seed color to different black-seeded parents (YE1 = T 25629 x DH 26-96 , and YE2 = Express 617 x 1012-98 ), a DH- and a F2 population, respectively, were generated and analyzed. By employing 197 or 252 AFLP- and SSR markers, respectively, genetic maps were developed for YE1 and YE2, containing 22 or 21 linkage groups with an overall length of 1320 and 2953 cM, respectively. Via anchor markers present in both locations and via comparison with published B. napus linkage maps, a consensus map was constructed. Two corresponding QTL for seed color were detected, together with a third and minor QTL in YE2. In both crosses, the major QTL is highly significant and located on linkage group 18, explaining 62.4% (YE1) and 58,8% (YE2) of the phenotypic variance for seed color, respectively. The second QTL, a minor locus, maps to linkage group 15 and explains 9.3% (YE1) or 19.9% (YE2) of phenotypic variance, respectively. Because of the existance of identical AFLP markers closely linked to both QTL in both populations, it can be assumed that identical loci are present in the two populations. The third, minor locus for seed color from YE2 contributes additional 8,7% to the observed phenotypic variance. Interestingly, a QTL for ADF content could be co-located both in YE1 and YE2 with the major QTL for yellow seed color on linkage group 18; it explains 27.3 or 24.6% of phenotypic variance, respectively. An additonal QTL for ADF, each, was detected in both B. napus populations on linkage group 11. Overall, ADF content showed a high correlation wtih seed color (YE1: r2=0.88; YE2: r2=0.74). By means of combined QTL and segregation data for seed color and ADF content in both populations (two-peaked distribution of black vs. non-black-seeded and high ADF vs. reduced ADF containing genotypes, respectively), we propose that seed color is controlled by a dominant gene in B. napus, with one (YE1) or two (YE2) epistatic genes possibly influencing pigment biosynthesis. The presence of one or two dominant alleles at the major locus for seed color always results in a non-black-seeded phenotyp. It additionally contributes to a reduction of fibre - a causal agent for the close correlation between seed color and ADF content. With regard to known genes possibly involved here, homeologues of the transparent testa (tt) genes from Arabidopsis thaliana are primary candidates. In conclusion, a marker-assisted breeding based on the results of this study should accelerate the generation of pure-breeding, lightly colored winter rapeseed varieties with improved meal quality - both in respect to a utilization of seed meal as animal feed or as a basis for the extraction of highly nutritious protein for animal diet.