Quantitative Trait Analysis of Heterosis-relevant Loci using Molecular Markers in Oilseed Rape (Brassica napus L.)

Abstract

Molecular markers are increasingly used to detect quantitative trait loci (QTL) that are responsible to the trait of interest. The central theme in hybrid breeding is heterosis and it is important to put the first emphasize on the QTL relevant for heterosis. The genetic action of the QTL found furthermore is necessary to be studied, as this will become the basis for decision on which breeding method to be used. A doubled-haploid (DH) population from a cross between "Express 617" and "V8" was developed using microspore culture. A counterpart back-cross population (BC) was developed by crossing each line in DH population with the Express 617 . The populations would make possible estimation of the heterosis effect and the subsequent QTL analysis. Phenotypic performance was studied in a greenhouse trial during Summer 2007 and in field for two years (2005/06 and 2006/07) in four locations, two in Lower Saxony and two in Hesse. Microsatellites and AFLP® were used to genotype the DH and develop genetic maps. The genetic map comprised all the chromosomes of Brassica napus (Chromosome N01-N19) and covered 1792 cM. The QTL analysis was done using QTL-Network 2.0 based on a backbone map with 269 markers. Three sets of data, DH, BC, and mid-parent heterosis (MPH) were analysed for each trait.Greenhouse trial showed that BC tended to perform better than DH in almost all traits observed. Heterosis distributions were varied among traits, which range spanning from -31% (leaf area) to 84% (shoot dry mass). The correlation between BC and DH among the traits observed were medium, but in hypocotyl length it was high (0.81) and in specific leaf weight (SLW) was very low.Seed yield for 2006/07 was clearly lower than the earlier planting year due to mild winter and dry period during flowering time which caused the yield to go down 30% in average. Mid-parent heterosis in 2006/07 was higher than the previous year. Strong correlations between BC and MPH indicated that MPH was controlled more by variation in BC. Thousand seed mass appeared to be unconnected to the other traits, as well as hypocotyl length and leaf area. Biomass (fresh shoot mass) in general might show a weak correlation with yield.From greenhouse trial there was no heterosis-relevant main-effect QTL detected. Eleven main-effect QTL nevertheless was found from DH and BC populations; however, they were not co-located, making it impossible to indirectly estimate dominance effect. There were eleven heterosis-relevant main-effect QTL detected in field trials: four from 2005/06 planting year and seven from 2006/07. As already indicated from phenotypic relationship, QTL for thousand seed mass were mostly different from the other traits. Clusters of main-effect QTL were called active regions and each was seen as a single region, ignoring the traits. Twenty six active regions were detected on 15 of the 19 chromosomes. Applying active region as basis for interaction unit raises the percentage of interaction involving at least one active region from 5% to 65%. This suggested that, at least in case of epistasis, it is better to see a cluster of QTL as single unit. Certain interactions involving the same trait could be found clustering in the same location. Such feature may indicate existence of transcription factors. QTL effects related to heterosis from early traits (greenhouse trials) were evidently dominated by epistatic origin, since no dominant QTL was detected directly from MP data set. Nevertheless, four main-effect QTL were found from BC data set, estimating difference between genetic additive and dominance effect; two of them, responsible for dry shoot weight and fresh shoot weight, located at the same region in N14. Partial dominance played in all the QTL for heterosis which additive and dominance effects could be estimated. Five of the seven such QTL showed partial dominance toward Express , the other two toward "V8". Most of the estimates were from QTL for TSM. Based on these results, it is indicative that the additive-dominance model is not enough to explain the phenotypic expression.The results showed that epistasis was evidently the source of heterosis in the early developmental stage. Partial dominance was found to play role in the traits observed at end stages of life, although epistasis was still abundant. Phenotypic correlation between shoot dry weight at early stage and yield could not be strongly supported by the QTL analysis. Further genetic analysis involving expression of gene, such as e-QTL can be used to explain the mechanism behind the correlation, which further can be applied in developing more effective marker-assisted methods in hybrid cultivar breeding.

Die Nutzung molekularer Markern, um quantitative Merkmale Loci (QTL) zu lokalisieren, kann gewisse Nachteile der Hybridzüchtung reduzieren. Der Hybridzüchtung liegt das Phänomen der Heterosis zugrunde. Daher erlangen Heterosis-relevante Gene bzw. QTL eine zunehmende Bedeutung. Die genetischen Effekte der gefundenen QTL zu untersuchen ist auch notwendig, damit das geeignete Züchtungsverfahren zweckmäßig gewählt wird. Dies gilt auch für den Ölraps (Brassica napus L.).Eine Doppelhaploidpopulation (DH) wurde aus der Kreuzung "Express 617" × "V8" entwickelt. Darüberhinaus wurde in der Vegetationsperiode 2004/05 eine Rückkreuzungspopulation (Backcross, BC) aus Kreuzungen jeder DH-Linie mit "Express 617" entwickelt, um eine Bestimmung der Heterosis (Mid-parent heterosis) und deren QTL Analyse zu ermöglichen.Für Phenotypisierung wurde im Sommer 2007 ein Gewächshausversuch und in den Jahren 2005/06 und 2006/07 Feldversuche an vier Standorten, zwei in Niedersachsen und zwei in Hessen, durch¬geführt. Mikrosatelliten und AFLP® wurden verwendet, um die DH zu genotypisieren. Die genetische Karte fassten alle 19 Chromosomen (N01 bis N19) des Rapsgenoms mit Gesamtlänge von 1792 cM um. Die QTL-Analyse wurde mit eine Basiskarte mit 269 Markern erstellt und mit QTL-Network 2.0 durchgeführt. Die Daten von DH, BC, und Heterosis wurden analysiert. Der Gewächshausversuch zeigte, dass die Leistung der BC meistens besser war als der DH. Die Heterosiswerte variierten von -31% (Blattfläche) bis +84% (Sproßtrockenmasse). mit häufigen positiven Heterosiswerten Die Korrelationen zwischen der BC und DH per Merkmal waren meistens durchschnittlich, am höchsten war bei der Hypokotyllänge (0,81) und beim spezifischen Blattgewicht (Specific Leaf Weight, SLW) war sehr niedrig. Der Kornertrag des Anbaujahr 2006/07 hat im Durchschnitt um 30% als im Vorjahr gesenkt. Die Heterosis war in 2006/07 trotzdem ausgeprägter als im Vorjahr. Signifikante aber niedrige Korrelationen unter Heterosiswerten der beobachteten Merkmale wurden zwischen Sproßtrockenmasse und Kornertrag, SLW und Pflanzenhöhe (2005/06) sowie spezifischem Blattgewicht und Kornertrag in 2006/07 beobachtet. Für die DH und BC wurden im Gewächshausversuch 11 Haupt-QTL ermittelt, trotzdem ko-lokalisierten sie sich nicht. Dies schlossen damit die Möglichkeit der indirekten Schätzung von Dominanzeffekten aus. Im Feldversuch wurden 11 heterotische Haupt-QTL ermittelt: sieben davon für Anbaujahr 2006/07. Wie von den phänotypischen Korrelationen zu erwarten war, kolokalisierten QTL für TKM nicht mit QTL für die anderen Merkmale. Insgesamt 26 aktive Bereiche wurden in alle Chromosomen außer N02, N04, N15 und N18 nachgewiesen. Bestimmte epistatische QTL verbanden auch verschiedene aktive Bereiche miteinander, indikativ für mögliche koregulatorische Funktion. Die Beurteilung von Epistasie zweckmäßiger auf der Basis ganzer aktiver Bereiche, also Haupt-QTL-Clustern, erfolgt anstatt auf Basis von Einzel-QTL. Kolokalisierte Wechselwirkungen, die dieselben Merkmale betrafen, deuten ggf. auf Effekte von Regulatorgenen (Transkriptionsfaktoren) hin.Die heterotische QTL-Effekte der Fruhmerkmale wurden offenbar von Epistasie geprägt, weil keine dominante QTL festgestellt werden konnten. Dennoch wurden vier Haupt-QTL in der BC-Population gefunden, die als Schätzungen des genetischen Unterschieds zwischen Additiv-genetischen- und Dominanz-Effekten gelten können. Zwei von ihnen befanden sich im gleichen Bereich auf N14.Anhand der Ergebnisse aus den Feldversuchen konnte Dominanzeffekte der Haupt-QTL ermittelt werden. Einige Haupt-QTL, die mit epistatischen QTL kolokalisierten, können möglicherweise andere Merkmale beeinflüssen. Die Schätzungen der heterotischen QTL zeigten, dass die Effekte unvollständig Dominanz (partial dominance) waren. Fünf von den sieben QTL, deren Additiv- und Dominanzeffekte geschätzt werden konnten, waren ihre Direktionen nach Express geneigt. Anscheinend, TKM wurde mehr von dem Haupteffekt kontrolliert als die andere Merkmale. Aufgrund dieser Analyse ist Additive-Dominanz Modell nicht genug, um die phenotypische Expression weiter zu erklären.Epistasie stellt offenbar eine wichtige Ursache für Heterosis in frühen Entwicklungsstadien der Rapspflanze dar. Unvollständige Dominanz spielte ein wichtigere Rolle bei späteren Merkmalstadien (inkl. Ertragsmerkmale), obwohl Epistasie hat noch Einfluss.Die festgestellte phänotypische Korrelation zwischen Sproßtrockenmasse im frühen Stadium und dem Kornertrag konnte durch die QTL-Analyse nicht gestützt werden. Weitere genetische Analysen anhand der Gen-Expression, wie die Erfassung von e-QTL, können die zugrunde liegenden Mechanismen der Korrelation unter den Merkmalen erklären und die Entwicklung effektiver marker-gestützter Selektions-methoden für die Hybridzüchtung zu ermöglichen.