Genomics of abiotic stress responses and adaptation in sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench)

Abstract

The major goal of plant production is finding the right crop that can meet our demand for food, feed and fuel without damaging the environment. Maize, the world´s most successful multi-purpose crop, is the number one summer crop in many European countries including Germany. The high increase of the maize production area is a leading current topic dominating environmental and agricultural-political discussions in Germany. Sorghum production can readily substitute maize and potentially mitigate some of the problems associated with bio-energy maize production. Sorghum is one of the hardiest plants, with an efficient C4 photosynthetic system and resistance to the maize western rootworm, a devastating pest. It has lower nitrogen and phosphorous demand and can achieve biomass yields that are competitive to maize. Especially sweet sorghum types have the potential to be used for bio-ethanol in addition to biogas production, although storability of the sugar needs to be improved.On the other hand, however, sorghum is sensitive to early stage chilling stress and is a short-day plant; these two adaptation constraints currently hinder its expansion into temperate agro-ecosystems. Fortunately, there is ample variability in sorghum for many traits including cold tolerance, especially in lines from tropical highland areas. The development of effective breeding strategies for adaptation requires a good understanding of the genetic architecture of the crucial adaptation traits. This study dissected early stage seedling development of sorghum to reveal the complex genetics underlying the slow or retarded growth of sorghum seedlings under chilling stress conditions (Bekele et al. 2013a). Controlled experiments and field trials on a recombinant inbred line (RIL) population from the cross between the sweet sorghum parent SS79 and the grain sorghum parent M71 showed contrasting segregation for pre and post emergence chilling stress. In general, chilling stress reduces emergence, root and seedling establishment. When the stress is sustained for a long time it causes reduced survival and ultimately death in genotypes that have insufficient chilling tolerance. Interrelationships/correlations among a large number of complex traits were confirmed by the co-location of QTL for multiple traits including emergence, root development and survival under prolonged chilling stress. Highly interesting QTL colocalization hubs were identified on sorghum chromosomes Sb06 and Sb01. Genome re-sequencing of the parental lines and comparison to other selected grain and sweet sorghum genotypes identified more than 1 million single nucleotide polymorphisms (SNPs). The patterns of polymorphisms identified interesting regions which might be of interest to understand the genetic changes that gave rise to sweet and grain morpho-types of sorghum. Next-generation sequencing-based bulk-segregant analysis, on 60 lines showing the highest and the lowest survival under chilling conditions, identified around 7000 SNPs that were unique to either the chilling-susceptible or chilling-tolerant phenotype group. A 3000-SNP Illumina genotyping array was developed for genetic analyses of chilling stress responses using a stringent selection of the genome-wide and trait-linked SNPs (Bekele et al. 2013b).The SNP array was used to screen a total of 564 sorghum lines, consisting of segregating mapping populations and a diversity panel. The genotype data was used for genome wide association mapping of emergence and for biparental QTL mapping of multiple traits including field biomass, chlorophyll content and brix (sugar content). This efficiently mapped major QTL to known major genes, and in other cases enabled identification of interesting candidate genes for previously unknown QTL.As a proof-of-concept, the SNP array data was used to test genome-wide prediction (genomic selection) for selected traits using the widely-used ridge-regression best linear unbiased prediction (rr-BLUP) model. Using rr-BLUP with even very small training and validation populations it was possible to detect emergence and plant height under stress and optimum conditions at good cross-validation accuracy of 0.30-0.55. This opens the possibility to use genomic prediction for recurrent selection in breeding programs for difficult traits like chilling emergence. Prediction accuracies will be improved by the use of alternative selection models and the design of breeding strategies account for the specific genetic architecture of each trait. The potential of systems biology in sorghum adaptation research for identification of key regulatory genes is discussed in the context of its potential impact on plant breeding. In the long term the integration of additional levels of data (transcriptome, metabolome) can potentially further improve the selection accuracy of genomic selection. Das wichtigste Ziel der Pflanzenproduktion ist die Identifizierung einer Kulturart, die sowohl für die menschliche Ernährung, als auch als Futter- und energieliefernde Pflanze verwendet werden kann, ohne die Umwelt zu schädigen. Mais ist die weltweit erfolgreichste Kulturart und wird aufgrund seiner vielseitigen Nutzung auch vorrangig in vielen europäischen Ländern - einschließlich Deutschlands - angebaut. Der starke Anstieg der Maisanbaufläche ist jedoch ein Hauptthema der umwelt- und agrarpolitischen Diskussionen in Deutschland. Sorghum stellt hingegen eine geeignete Alternative zu Mais dar und könnte damit möglicherweise einige der Probleme verringern, die mit der Produktion von Energie-Mais verbunden sind. Sorghum verfügt über ein wassersparendes C4-Photosynthese-System und gleichzeitig über eine Resistenz gegen den Maiswurzelbohrer, einem verheerenden Schädling. Sorghum kann auch bei einem geringeren Stickstoff- und Phosphorbedarf Biomasseerträge erreichen, die konkurrenzfähig zu Mais sind. Besonders Zuckerhirse-Typen haben das Potential, sowohl für die Bioethanol- als auch für die Biogasproduktion verwendet zu werden.Andererseits ist Sorghum jedoch empfindlich gegenüber Kühlestress in frühen Pflanzenentwicklungsphasen und ist eine Kurztagspflanze. Diese Einschränkungen verhindern momentan eine weitere Ausdehnung des Anbaus in gemäßigtere Agrar-Ökosysteme. Glücklicherweise besitzt Sorghum für viele Merkmale eine große genetische Variabilität. Interessante Variation z.B. für Kühletoleranz findet man in Sorghum-Linien aus den tropischen Hochländen. Die Entwicklung effektiver Züchtungsstrategien für die Verbesserung dieses Merkmals erfordert jedoch ein gutes Verständnis der ihnen zugrundeliegenden genetischen Struktur.Im Rahmen dieser Studie werden die frühen Entwicklungsphasen des Keimlings analysiert, um die komplexe Genetik aufzudecken, die das langsame bzw. verzögerte Wachstum von Sorghum-Keimlingen unter Kühlestress-Bedingungen bewirkt. Experimente unter kontrollierten Wachstumsbedingungen sowie Feldversuche mit rekombinanten Inzuchtlinien (RIL)-Populationen aus Kreuzungen zwischen dem Zuckerhirse-Elter SS79 und dem Körnerhirse-Elter M71 zeigten gegensätzliche Reaktionen auf Kältestress vor oder nach Keimlingsaufgang. Generell reduzierte Kühlestress den Keimlingsaufgang, die Wurzel- und die Keimlingsentwicklung. Wenn der Stress über einen längeren Zeitraum anhielt, bewirkte er ein verringertes Überleben und schließlich das Absterben der Genotypen mit einer unzureichenden Kühletoleranz. Die Zusammenhänge bzw. Korrelationen zwischen einer großen Anzahl an komplexen Merkmalen konnten mittels der Kolokalisierung von QTL für mehrere Merkmale wie Aufgang, Wurzelentwicklung und Überleben unter anhaltendem Kühlestress aufgedeckt werden. Besonders interessante Bereiche mit kolokalisierenden QTL wurden auf den Chromosomen Sb06 und Sb01 identifiziert. Die Resequenzierung des Genoms der elterlichen Linien und der Vergleich mit anderen ausgewählten Körner- und Zuckerhirse-Genotypen ergab mehr als eine Million Einzelbasenpolymorphismen (Single Nucleotide Polymorphisms, SNPs). Die SNP-Verteilungsmuster konnten auch dabei helfen, die genetischen Veränderungen zu verstehen, die zu der Entwicklung von Zucker- und Körner-Morphotypen in Sorghum führten. Eine auf Next-Generation-Sequenzierung basierte Bulk-Segregant-Analyse mit 60 Linien, welche die höchste bzw. die niedrigste Überlebensrate unter Kältestress zeigten, identifizierte ca. 7000 SNP-Marker, die entweder einzigartig in der Gruppe der kälteempfindlichen oder in der Gruppe der kühletoleranten Phänotypengruppe gefunden wurden. Eine stringente Auswahl von 3000 genomweiten bzw. merkmalsassoziierten SNPs wurde daraufhin zur Entwicklung eines Illumina-Genotyping-Array für genetische Analysen der Kältestressantworten eingesetzt. Mit dem 3000-SNP-Array konnten insgesamt 564 Sorghum-Linien aus unterschiedlichen Kartierungspopulationen sowie einem Diversitätsset untersucht werden. Die Genotypendaten wurden für eine genomweite Assoziationskartierung des Keimlingsaufgangs sowie für die QTL-Kartierung der Merkmale Feldbiomasse, Chlorophyllgehalt und BRIX (Zuckergehalt) der beiden Eltern verwendet. Damit konnten einerseits erfolgreich Major-QTL kartiert werden, die in Zusammenhang mit bereits bekannten Genen stehen. In anderen Fällen wurden auch interessante, neue Kandidatengene für bisher unbekannte QTL identifiziert. Solche Gene bzw. eng gekoppelte SNP-Marker stellen einen wichtigen Durchbruch für die Züchtung auf Kühletoleranz dar.Als Proof-of-Concept wurden die Daten des SNP-Array benutzt, um die genomische Selektion für bestimmte Merkmale mittels des häufig benutzten Ridge-Regression Best Linear Unbiased Prediction (rr-BLUP)-Modells zu überprüfen. Mit Hilfe von rr-BLUP war es sogar in sehr kleinen Übungs- und Validierungs-Populationen möglich, Keimlingsaufgang und Pflanzenhöhe unter optimalen sowie unter Stressbedingungen mit überraschend guter Kreuzvalidierungsgenauigkeit von 0,30-0,55 zu detektieren. Dies ermöglicht die genomische Vorhersage für die rekurrente Selektion in Zuchtprogrammen für schwierige Merkmale wie Kühletoleranz.