Analysis and use of genomic diversity in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.)

Abstract

Wheat (Triticum aestivum L.), the staple foot for one third of the world population, is one of the three most important crop plants worldwide. In 2014, 730 M t of wheat seeds were produced on an area of 220 M ha, with a global average yield of 3.6 t/ha. To meet the projected demand of 70 % more food by the middle of this century, wheat yields must be almost doubled within the next few decades. However, trends indicate current stagnation of yield levels in the major wheat growing regions of Europe, North America, Asia and Australia. This is mainly attributed to a narrow genetic diversity in elite germplasm pools, causing poor cultivar adaption to an increasing frequency of extreme climatic fluctuations.Increasing genetic variation in breeding programs is a key approach to overcome yield stagnation, but it requires efficient tools that enable breeders to characterize large populations of genotypes at a maximum resolution and low cost. Due to the high complexity of the allohexaploid wheat genome (2n = 6x = 42 chromosomes, genomic code AABBDD), which arose from three independent allopolyploidization events, deep genome analysis is notoriously difficult. Rapid genotyping platforms that can simultaneously acquire millions of genomic data points per genotype are today available for all important crop plants. These can be used to obtain population genetic parameters for the analysis of prevalent population stratification, genetic diversity or linkage disequilibrium (LD). This information is highly valuable for breeders, in order to optimize parental combinations for the creation of segregation populations with maximal genetic diversity, and to support marker-based targeted introgression of candidate genes into elite varieties, by crossing lines with high yield potentials and exotic lines that carry favorable novel alleles.In this context, this thesis describes the detailed population genetic characterization of a diverse international population of 460 wheat lines, representing global diversity from China, Europe, The United States and Australia, using the 90K single-nucleotide-polymorphism (SNP) Infinium genotyping platform. After identifying five major genetic subgroups that correspond to the ecogeographic origin of the lines, detailed measures of genetic diversity and LD were obtained at the subgenome and chromosome level. Finally, target regions were identified on all three subgenomes that are under very strong directional selection between the characterized gene pools. These selective sweeps harbor several candidate genes and QTL for agronomically important traits, such as yield, plant height or seed quality, and are thus ideal targets for a precise reinstatement of genetic variation using high-resolution marker information. This can help breeders to increase overall diversity as a key prerequisite for effective selection in breeding programs.The need to adapt modern wheat cultivars to the increasing frequency of extreme weather events has considerably raised attention on roots. However, knowledge on the genetic basis of below-ground plant development is very limited, yet powerful diagnostic markers for a genomics-based selection of improved root systems are strongly required. This dissertation describes the first genome-wide association study (GWAS) on root characteristics in hexaploid wheat to date, using a diverse population of almost 250 wheat lines in combination with high-resolution, genome-wide SNP array marker information. After identifying two QTL on chromosome 5B that are highly associated with root biomass, haplotype network analysis attributed the highest genetic effect to two rare Chinese QTL alleles whose positive epistatic interaction boosts overall root proliferation. Population genetic analysis revealed high levels of LD in this target region, which was also found to harbor candidate genes affecting spike development and heading date. Given the low level of allelic diversity of this candidate region, an indication of strong directional selection, the frequency and distribution of root and spike associated haplotype variants suggests an inadvertent co-selection of specific root-related variants in the course of selection for spike development. This could explain the low genetic diversity for these root QTL in European elite material. These findings provide breeders a means to reverse this unintended consequence of linkage drag and increase genetic variation for root growth, and lay a foundation for the subsequent functional characterization of candidate genes that affect root development in wheat.

Weizen (Triticum aestivum L.), das Grundnahrungsmittel für ein Drittel der Weltbevölkerung, ist eine der drei wichtigsten Ackerkulturpflanzen weltweit. Im Jahr 2014 wurden 730 Mio. t Weizenkörner auf einer Fläche von 220 Mio. ha bei einem Durchschnittsertrag von 3.6 t/ha geerntet. Um die vorhergesagte Nachfrage nach 70 % mehr Lebensmitteln bis zur Mitte dieses Jahrhunderts zu decken, muss der weltweite Weizenertrag in den nächsten Jahrzehnten etwa verdoppelt werden. Gleichzeitig zeigen globale Anbautrends eine Ertragsstagnation in den Hauptbewirtschaftungsregionen in Europa, Nordamerika, Asien und Australien. Das kann hauptsächlich der sehr stark eingeschränkten genetischen Diversität in Elite-Genpools zugeschrieben werden, welche mitunter dazu führt, dass Sorten schlechte Anpassungseigenschaften an immer häufiger werdende klimatische Veränderungen zeigen.Um der Ertragsstagnation entgegenzuwirken ist es daher ein wesentlicher Ansatzpunkt, die genetische Variation in Züchtungsprogrammen zu erhöhen. Dafür benötigt es jedoch effiziente Methoden, die es den Züchtern ermöglichen, große Populationen hochauflösend und kostengünstig genomisch zu charakterisieren. Aufgrund der hohen Komplexität des allohexaploiden Weizengenoms (2n = 6x = 42 Chromosomen, genomischer Code AABBDD), welches in drei unabhängigen Allopolyploidisierungsereignissen entstand, ist die tiefgehende Genomanalyse stark erschwert. Hocheffiziente Genotypisierungsplattformen, welche in kürzester Zeit Millionen von genomischen Datenpunkten generieren können, sind heutzutage für alle wichtigen Ackerkulturpflanzen verfügbar. Diese Daten können dazu genutzt werden, populationsgenetische Parameter für die Untersuchung der vorherrschenden Populationsstruktur, der genetischen Diversität oder des Gametenphasenungleichgewichts (engl.: Linkage Disequilibrium ; LD) zu berechnen. Für Züchter stellen diese Informationen wertvolle Grundlagen dar, um die parentalen Kombinationen zur Erstellung von Züchtungspopulationen mit maximierter genetischer Diversität zu optimieren, oder um gezielte Marker-gestützte Einkreuzungen von Genen in Elitesorten, realisiert durch die Kreuzung von Linien mit hohem Ertragspotential und beispielsweise exotischen Material mit neuen, bevorzugten Allelen, zu unterstützen. Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt in diesem Zusammenhang die detaillierte, populationsgenetische Charakterisierung einer diversen, aus 460 internationalen Weizenlinien bestehenden Population, welche globale Diversität aus China, Europa, den Vereinigten Staaten von Amerika und Australien repräsentiert, mit der 90K Single-Nukleotid-Polymorphismus (SNP) Infinium Genotypisierungsplattform. Nach der Identifizierung von fünf genetischen Hauptgruppen, welche mit dem ökogeographischen Ursprung der Weizenlinien korrespondieren, wurden umfangreiche Daten zur genetischen Diversität und LD auf Subgenom- und Chromosomenebene erhoben. Zudem konnten genomische Zielregionen auf allen drei Subgenomen ausfindig gemacht werden, welche Anzeichen für starke gerichtete Selektion zwischen den ermittelten Genpools aufweisen. Diese sogenannten Selective Sweeps decken verschiedene Gene und Quantitative Trait Loci (QTL) ab, welche agronomisch wichtige Merkmale, wie Ertrag, Wuchshöhe oder Kornqualität beeinflussen und daher ideale Ausgangspunkte für die Wiederherstellung genetischer Variation mittels hochauflösender Markerdaten darstellen. Dies kann Züchtern dabei helfen, die Diversität, welche die Grundlage für eine effektive Selektion in Zuchtprogrammen darstellt, gezielt zu erhöhen.Die Notwendigkeit, moderne Sorten an die stetig zunehmenden extremen Wetterbedingungen anzupassen, hat die Aufmerksamkeit für Wurzeln stark erhöht. Dennoch ist das aktuelle Wissen über die genetische Basis des unterirdischen Pflanzenwachstums stark begrenzt, auch wenn ein starker Bedarf nach effektiven diagnostischen Markern für eine Genom-gestützte Selektion verbesserter Wurzelsysteme besteht. Die vorliegende Dissertation beschreibt die bislang erste genomweite Assoziationsstudie (GWAS) zu Wurzelmerkmalen in einer Population von fast 250 diversen, hexaploidem Weizenlinien in Kombination mit hochauflösenden, genomweiten SNP Array Markerdaten. Nach Identifizierung zweier QTL auf Chromosom 5B, welche stark mit Wurzelbiomasse assoziiert sind, konnte mittels Haplotypnetzwerkanalyse der stärkste phänotypische Effekt zwei seltenen, chinesischen QTL-Allelen zugeschrieben werden, dessen positive epistatische Interaktion das Gesamtwurzelwachstum stark erhöht. Populationsgenetische Analysen zeigten hohe LD-Werte in dieser Region, welche zudem Kandidatengene für Ährenentwicklung und Blühzeitpunkt enthält. Vor dem Hintergrund der sehr geringen allelischen Diversität in diesem chromosomalen Bereich, was ein Anzeichen für starke, gerichtete Selektion darstellt, suggerierte die Frequenz und Verteilung der Wurzel- und Ähren-assoziierten Haplotypvarianten eine zufällige Ko-Selektion spezieller Wurzel-bezogener Allele während der Selektion für Ährenentwicklung. Das könnte die niedrige genetische Diversität für die gefundenen Wurzel-QTL in europäischem Elitematerial erklären. Die vorliegenden Ergebnisse können von Züchtern genutzt werden, um diese ungewünschte Konsequenz der Genkopplung rückgängig zu machen und die genetische Variation für Wurzelwachstum zu erhöhen. Sie dienen darüber hinaus als Grundlage für zukünftige Arbeiten zur funktionellen Charakterisierung von Kandidatengenen, welche das Wurzelwachstum in Weizen steuern.