Integrated Genetic and Metabolomic Analysis of Seed Germination and Seedling Vigour in Oilseed Rape (Brassica napus L.)

Abstract

With the rapidly growing human population and greater climate extremes, the importance of seed vigour is increasing with time because the vigour is closely associated with crop yield and resource use efficiency. Therefore, the issue of seed vigour is of central importance to agriculture and the seed industry but it is still poorly understood. Oilseed rape is the most cultivated and economically important species within the Brassica genus during the past 30 years. In 2017-2018 global production of rapeseed exceeded 74.71 making them the second most valuable source of vegetable oil and protein meal (40.12 Mt) in the world after soybean. Unfortunately, most of the double low (00) rapeseed cultivars are associated with agronomic problems, such as lower seed yield, poor germination, and reduced seedling growth rate. This study aimed to use an integrative approach to explore key genetic and metabolomic factors modulating seed germination and seedling vigour and the molecular link between these factors to breed new rapeseed varieties with superior germination and seedling growth.Seed germination and seedling vigour are quatitative traits determined by the interaction of hormonal, genetic and numerous environmental components. During the last decade, liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), especially liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) has become the most widely used approach to plant hormone analysis. In addition, gene cloning has made it possible for oilseed breeders to develop genotypes/cultivars with high yield potential, improved oil content and oil quality and improved agronomical traits. In the first study, high-throughput UPLC-MS/MS hormone profiling of seeds and seedlings before and after germination in the high vigour (Express 617) and low vigour (1012-98) lines and their offspring was analyzed to identify key hormone components and their crosstalk causing poor germination and seedling development. This study is the first to report disruption of germination and seedling development in B. napus caused by the crosstalk of auxin-ABA and the corresponding regulators Bna.ARF10 and Bna.GH3.5.Quantitative trait locus (QTL) mapping is currently the most commonly used approach to dissect the genetic factors underlying complex traits. The goal of QTL mapping is to identify genomic regions associated with a specific complex phenotype by statistical analysis of the associations between genetic markers and phenotypic variation. In the second study, QTL mapping was used to identify quantitative trait loci related to germination, seedling vigour and seedling-regulated hormones in the same mapping population in the first study. A total of 13 QTL on nine chromosomes for germination and seedling-related traits at 7 and 14 days after sowing were detected. Forty-seven metabolic QTL on 15 chromosomes were identified for auxin, abscisic acid (ABA) and dihydrophaseic acid (DPA) at 5 and 12 DAS. Multitrait QTL hot spots contribute to our understanding of the genetics and metabolomics of germination and seeding vigour in B. napus, and represent potential targets to breed high-vigour cultivars. The innovative value of this work relies on the identification of key genetic and metabolomic components contributing to further development of robust markers for marker-assisted breeding of rapeseed varieties with superior seed vigour. With the astounding current developments in high-throughput genomics and metabolomic technologies, translation of the work results to new high-density genetic and metabolic maps to develop rapeseed varieties with hormonal balance and superior seed vigour. Aufgrund der schnell wachsenden Weltbevölkerung und zunehmenden Klimaextremen nimmt die Bedeutung der Triebkraft von Saatkörnern zu, da die Keimfähigkeit und Keimlingsentwicklung vor allem unter suboptimalen Bedingungen eng mit dem Ernteertrag und der Ressourcennutzungseffizienz zusammenhängt. Für die Landwirtschaft und die Saatgutindustrie besitzen Keimungseigenschaften daher eine zentrale Bedeutung, jedoch ist dieses Merkmalskomplex bei den meisten Kulturpflanzen noch immer nicht vollständig aufgeklärt. Raps gehörte in den letzten 30 Jahren zu den am intensivsten gezüchteten und wirtschaftlich bedeutendsten Arter innerhalb der Gattung Brassica. Im Zeitraum 2017-2018 übertraf die weltweite Rapsproduktion 74.71 M ha und ist damit nach Sojabohnen die zweitwichtigste Ölpflanze der Welt. Allerdings treten in der Sortenzüchtung immer wieder Probleme mit z.B. schlechter Keimfähigkeit oder verzögerte Keimlingswachstum auf. Diese Studie zielte deswegen darauf ab, einen integrativen Ansatz zu verwenden, um die wichtigsten genetischen und metabolischen Faktoren zu untersuchen, die die Keimung und Keimkraft von Rapssamen sowie die molekularen Verbindungen zwischen diesen Faktoren beeinflussen. Die Ergebnisse sollten neue Informationen liefern, um Rapssorten mit überlegener Keimfähigkeit und Keimlingswachstum zu züchten.Samenkeimung und Keimlingsvitalität sind quantitative Merkmale, die durch das Zusammenspiel von hormonellen, genetischen und zahlreichen Umweltkomponenten bestimmt werden. Während des letzten Jahrzehnts hat sich die Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS), insbesondere die mit Tandem-Massenspektrometrie (LCMS/MS) gekoppelte Flüssigchromatographie (LC-MS/MS), zum am weitesten verbreiteten Ansatz der Pflanzenhormonanalyse entwickelt. Darüber hinaus hat das Klonen von Genen die Entwicklung von Sorten mit hohem Ertragspotenzial, verbessertem Ölgehalt und Ölqualität sowie verbesserten agronomischen Eigenschaften ermöglicht. In dieser Arbeit wurden zunöchst UPLC-MS/MS-Hormonprofile aus Samen und Keimlingen vor und nach der Keimung in Winterrapsgenotypen mit hoher (Express 617) bzw. niedriger Vitalität (1012-98) sowie deren spaltenden Kreuzungsnachkommen analysiert, um die wichtigsten Hormonkomponenten zu identifizieren und deren genetischen Zusammenhang mit der Keimung und Keimlingsentwicklung zu erläutern. Diese Studie berichtet erstmals über eine Störung der Keimung und Keimlingsentwicklung in B. napus, die offensichtlich durch eine Überexpression von Auxin-ABA aufgrund von Mutationen in den regulatorischen Genen Bna.ARF10 und Bna.GH3.5 verursacht wurde.Quantitative Trait Locus (QTL) Kartierung ist derzeit der am häufigsten verwendeten Ansatz zur Analyse von genetischen Faktoren, die komplexen Eigenschaften zugrunde liegen. Das Ziel der QTL-Kartierung besteht darin, mit einem spezifischen komplexen Phänotyp assoziierte genomische Regionen durch statistische Analyse der Assoziationen zwischen genetischen Markern und phänotypischen Variationen zu identifizieren. Hier wurde in der o.g. Kartierungspopulation aus der Kreuzung zwischen Express 617 und 1012-98 eine QTL-Kartierung durchgeführt, um Loci zu identifizieren, die mit der Keimung, der Keimlingsvitalität und den mit Keimlingen regulierten Hormonen zusammenhängen. Insgesamt wurden 13 QTL auf neun Chromosomen für Keimfähigkeit bzw. für Keimlingseigenschaften 7 und 14 Tage nach der Aussaat detektiert. Darüber hinaus konnten 47 metabolische QTL auf 15 Chromosomen identifiziert, welche mit der Konzentration von Auxin, Abscisinsäure (ABA) und Dihydrophasesäure (DPA) bei 5 und 12 DAS zusammenhingen. Multitrait-QTL-Hotspots tragen zu einem besseren Verständnis der Genetik und Metabolomik der Keimung und der Keimkraft von B. napus bei und stellen potenzielle Ziele für die Züchtung von Sorten mit hohem Wuchs dar.Der innovative Wert dieser Arbeit beruht auf der Identifizierung der wichtigsten genetischen und metabolischen Komponenten, die zur weiteren Entwicklung robuster Marker für die markergestützte Züchtung von Rapssorten mit verbesserter Keimkraft beitragen. Angesichts der rasanten aktuellen Entwicklungen in den Hochdurchsatz-Omics-Technologien kann die Umsetzung dieser Ergebnisse in Form von neuen, hochdichten genetischen und metabolischen Karten zur Entwicklung von Rapssorten mit verbessertem Hormonhaushalt und Triebkraft führen.