Browsing by Subject "Genetic resources"

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Assessing the Genetic Diversity in Crops with Molecular Markers: Theory and Experimental Results with CIMMYT Wheat and Maize Elite Germplasm and Genetic Resources
(2004) Reif, Jochen Christoph; Melchinger, Albrecht E.
Genetic diversity is a valuable natural resource and plays a key role in future breeding progress. Germplasm collections as a source of genetic diversity must be well-characterized for an efficient management and effective exploitation. The advent of PCR-based molecular markers such as sim-ple sequence repeats (SSRs) has created an opportunity for fine-scale genetic characterization of germplasm collections. The objective of this research was to optimize the utilization of genetic re-sources conserved at the International Wheat and Maize Improvement Center (CIMMYT), with the aid of DNA markers. Choice of suitable dissimilarity measures is important to facilitate the interpretation of findings from DNA marker studies on a theoretically sound basis. The objective of a theoretical study was to examine 10 dissimilarity coefficients widely used in germplasm surveys, with special focus on applications in plant breeding and seed banks. The distance and Euclidean properties of the dissimi-larity coefficients were investigated as well as the underlying genetic models. Application areas for different coefficients were suggested on the basis of the theoretical findings. It has been claimed that plant breeding reduces genetic diversity in elite germplasm, which could seriously jeopardize the continued ability to improve crops. The objectives of the presented ex-perimental study with wheat were to examine the loss of genetic diversity during (i) domestication of the species, (ii) change from traditional landrace cultivars (LC) to modern breeding varieties, and (iii) intensive selection over 50 years of international breeding. A sample of 253 CIMMYT or CIMMYT-related modern wheat cultivars, LC, and Triticum tauschii accessions were characterized with up to 90 SSR markers covering the entire wheat genome. A loss of genetic diversity was ob-served from T. tauschii to LC and from LC to the elite breeding germplasm. Wheat genetic diver-sity was narrowed from 1950 to 1989, but was enhanced from 1990 to 1997. The results indicate that breeders averted the narrowing of the wheat germplasm base and subsequently increased the genetic diversity through the introgression of novel materials. The LC and T. tauschii contain nu-merous unique alleles that were absent in modern wheat cultivars. Consequently, both LC and T. tauschii represent useful sources for broadening the genetic base of elite wheat breeding germ-plasm. In the 1980's, CIMMYT generated more than 100 maize populations and pools but little is known about the genetic diversity of this germplasm. The objective of the study with 23 CIMMYT maize populations was to characterize their population genetic structure with SSRs. The populations adapted to tropical, subtropical intermediate-maturity, subtropical early-maturity, and temperate mega-environments (ME) were fingerprinted with 83 SSR markers. Estimates of genetic differen-tiation between populations revealed that most of the molecular variation was found within the populations. Principal coordinate analysis based on allele frequencies of the populations revealed that populations adapted to the same ME clustered together and, thus, supported clearly the ME structure. Novel strategies were suggested to optimize the conservation of the genetic diversity within and among the populations. Heterotic groups and patterns are of fundamental importance in hybrid breeding. The objective of the presented study with a subset of 20 out of the 23 maize populations was to investigate the rela-tionship between heterosis and genetic distance determined with SSR markers. The published data of three diallels and one factorial trial evaluated for grain yield were re-analyzed to calculate het-erosis in population hybrids. Correlations of squared modified Rogers distance and heterosis were mostly positive and significant, but adaption problems caused deviations in some cases. For popu-lations adapted to the target regions, genetic distance can be used as a further criterion in the search for promising heterotic patterns and groups. For intermediate- and early-maturity subtropical germ-plasm, two heterotic groups were suggested, consisting of a flint and dent composite. For the tropi-cal germplasm, it was possible to assign population (Pop29) to the established heterotic group A and propose new heterotic groups (Pop25, Pop43). Our experimental results corroborate that SSRs are a powerful tool to (i) detect relationships among different germplasm, (ii) assess the level of genetic diversity present in germplasm pools and its flux over time, and (iii) search for promising heterotic groups for hybrid breeding in complementa-tion to field trials.
Development of high quality niche products from local chicken and pig genetic resources
(2016) Muth, Philipp; Valle Zárate, Anne
This thesis indicates that the application of non-conventional and/or slow-growing pig and chicken genotypes alone does not guarantee a superior and/or distinctive meat color and quality of the products. It appears that the valorization of monogastric meat products through niche marketing is critically dependent on matching the respective genotype with appropriate production methods, thus, for instance, highlighting the need for producers to be discerning in regard to the choice of slaughter age and feeding strategy. In the case that these premises are implemented, a distinguished positioning of meat products derived from local pig and chicken genetic resources can be realized, and, expanded by standards that also take the social and economic dimensions of food value chains into account, translated into a common pool resource as a basis for an alternative food network. Efforts should then be directed toward the elaboration of stable distribution channels and effective governance structures in the respective food network.
Genomics-assisted breeding for quantitative disease resistances in small-grain cereals and maize
(2020) Miedaner, Thomas; Boeven, Ana Luisa Galiano-Carneiro; Gaikpa, David Sewodor; Kistner, Maria Belén; Grote, Cathérine Pauline
Generating genomics-driven knowledge opens a way to accelerate the resistance breeding process by family or population mapping and genomic selection. Important prerequisites are large populations that are genomically analyzed by medium- to high-density marker arrays and extensive phenotyping across locations and years of the same populations. The latter is important to train a genomic model that is used to predict genomic estimated breeding values of phenotypically untested genotypes. After reviewing the specific features of quantitative resistances and the basic genomic techniques, the possibilities for genomics-assisted breeding are evaluated for six pathosystems with hemi-biotrophic fungi: Small-grain cereals/Fusarium head blight (FHB), wheat/Septoria tritici blotch (STB) and Septoria nodorum blotch (SNB), maize/Gibberella ear rot (GER) and Fusarium ear rot (FER), maize/Northern corn leaf blight (NCLB). Typically, all quantitative disease resistances are caused by hundreds of QTL scattered across the whole genome, but often available in hotspots as exemplified for NCLB resistance in maize. Because all crops are suffering from many diseases, multi-disease resistance (MDR) is an attractive aim that can be selected by specific MDR QTL. Finally, the integration of genomic data in the breeding process for introgression of genetic resources and for the improvement within elite materials is discussed.
Utilization of landraces of European flint maize for breeding and genetic research
(2023) Renner, Juliane; Melchinger, Albrecht E.
Mais ist eine der wichtigsten Kulturarten für die Landwirtschaft weltweit. Seit seiner Domestikation bildeten Landrassen den traditionellen Sortentyp. Durch Selektion und genetische Faktoren entstand eine breite Diversität an panmiktisch vermehrten Populationen, die gut an lokale Bedingungen angepasst waren. Dies änderte sich mit der Einführung der Hybridzüchtung, als nahezu alle Landrassen in der landwirtschaftlichen Produktion und als Ausgangsmaterial für die Züchtung verschwanden. Molekulare Analysen zeigen eine enge genetische Basis des Flint Pools im Vergleich zum Dent Pool. Genetische Ressourcen im Mais gehören zu den umfangreichsten aller Nutzpflanzen. Die Nutzung dieses bislang ungenutzten Reservoirs an genetischer Diversität in Landrassen bietet eine Möglichkeit, um der fortschreitenden Einengung der genetischen Basis entgegenzuwirken und somit den Aufgaben der Pflanzenzüchtung im Hinblick auf eine wachsende Weltbevölkerung sowie den Herausforderungen des Klimawandels und reduzierten Inputs im Anbau gerecht zu werden. Übergeordnetes Ziel dieser Studie war die Evaluierung europäischer Flint-Mais Landrassen, um deren genetische Vielfalt nutzen zu können. Im Speziellen waren die Ziele (i) die Variation in Testkreuzungen europäischer Mais-Landrassen zu bestimmen; (ii) die phänotypische und genotypische Variation der Linien innerhalb und zwischen Landrassen zu beurteilen; (iii) die Eigenleistung dieser Linien mit Elite-Linien sowie Founder-Linien aus dem europäischen Flint-Pool zu vergleichen; (iv) das Potential von doppelhaploiden (DH) Linien aus Landrassen im Vergleich zum Elitematerial für die Züchtung zu analysieren, um die enge genetische Basis des Flint-Pools zu erweitern; (v) die Verwendung von DH-Bibliotheken aus Landrassen für die Assoziationskartierung bis hin zur Eingrenzung kausaler Gene zu demonstrieren; und (vi) Schlussfolgerungen und Leitlinien für die Züchtung und Forschung zu erörtern , um DH-Linien aus Landrassen nutzbar zu machen. In einem ersten Versuch wurde eine umfangreiche Kollektion von 70 europäischen Flint-Landrassen mehrortig in Kombination mit zwei Elite Dent-Testern auf ihre Testkreuzungsleistung hin untersucht. Verglichen mit dem Ertrag moderner Hybriden war der Kornertrag der Testkreuzungen der Landrassen im Durchschnitt um 26 % geringer, jedoch wurde eine hohe genotypische Varianz zwischen den Landrassen für alle Merkmale beobachtet. Die Korrelationen waren mittel bis hoch für die meisten Merkmalskombinationen und entsprachen denen im Elitezuchtmaterial. Die genetische Korrelation der beiden Testkreuzungsserien überstieg 0,74 für alle Merkmale. Dies zeigt, dass es ausreicht die Leistung von Testkreuzungen in Kombination mit einem oder zwei Testern - bestehend aus Einfachkreuzungen des anderen Gen-Pools – zu bewerten, um das Potenzial von Landrassen für die Züchtung zu beurteilen. In einem zweiten Versuch produzierten wir Bibliotheken von DH-Linien der vielversprechendsten Landrassen des vorigen Versuches. Insgesamt wurden 389 DH-Linien aus sechs europäischer Flint Landrassen zusammen mit vier Flint Founder-Linien und 53 Elite Flintlinien auf 16 agronomische Merkmale an vier Standorten geprüft. Die genotypische Varianz (σ^2G) innerhalb der DH-Bibliotheken war größer als die zwischen den Bibliotheken und übertraf auch σ^2G der Elite Flintlinien. Darüber hinaus variierten die Mittelwerte und σ^2G zwischen den DH-Bibliotheken, was zu großen Unterschieden im Brauchbarkeits-Kriterium („usefulness“) führte. Der mittlere Kornertrag der Elite Flintlinien übertraf den der Flint Founder-Linien um 25 % und der DH-Bibliotheken um 62 %, was auf den beträchtlichen Zuchtfortschritt im Elitematerial hinweist sowie auf die erhebliche genetische Bürde, welche in den DH-Bibliotheken vorliegt. Die Brauchbarkeit der besten DH-Linien war trotzdem für viele Merkmale, einschließlich dem Kornertrag, mit der von Elite Flintlinien vergleichbar. Dies zeigt das enorme Potenzial, Landrassen zur Verbreiterung des genetisch engen Elite Flint-Pools zu verwenden. In einem dritten Versuch wurden das genetische Material des vorherigen Versuches mit dem MaizeSNP50 BeadChip von Illumina® genotypisiert und Samen aller Genotypen zur Extraktion und Analyse von 288 Metaboliten mit GC-MS verwendet. Sowohl die agronomischen Merkmale als auch die Metabolit-Daten wurden für eine Assoziationskartierung verwendet. Der schnelle Abfall des Kopplungsungleichgewichts benachbarter Marker in den DH-Bibliotheken im Vergleich zu den Elite Flintlinien führte zu einer hervorragenden Auflösung in der QTL-Kartierung, was durch die Feinkartierung eines QTL (= quantitative trait locus) für Ölgehalt bis zur Phenylalanin Insertion F469 in DGAT1-2 als kausale Variante demonstriert werden konnte. Darüber hinaus wurden für den Metaboliten Allantoin, der im Zusammenhang mit abiotischem Stress steht, Promotorpolymorphismen sowie die Expression einer Allantoinase als vermutete Ursache der Variation identifiziert. Dies gelang trotz der moderaten Größe der Kartierungspopulation. Diese Ergebnisse sind ermutigend, um DH-Bibliotheken von Landrassen für die Assoziationskartierung zu verwenden und QTL bis auf die kausalen Varianten zu entschlüsseln. Eine Erweiterung der Populationsgrößen der DH-Bibliotheken, ähnlich wie sie in anderen Versuchsdesigns in der Literatur verwendet wurden, ist hierbei zu empfehlen, um mit diesem Ansatz QTL zu detektieren, welche lediglich einen kleinen Teil der genetischen Varianz erklären. Dies eröffnet neue Wege zur Nutzung natürlicher und/oder neu geschaffener Allele in der Züchtung. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die genetische Variation europäischer Landrassen bei Flint-Mais eine einzigartige Quelle darstellt, um die fortschreitende Verengung der genetischen Basis des Elitematerials in diesem Gen-Pool umzukehren. Um vielversprechende Landrassen zu identifizieren, schlagen wir folgenden zweistufigen Ansatz vor: (i) Basierend auf der Bewertung der molekularen Diversität werden etwa hundert Landrassen in Leistungsprüfungen auf ihre Anpassungsfähigkeit für die Zielregionen evaluiert und ihre Kombinationsfähigkeit mit dem entgegengesetzten heterotischen Gen-Pool in Testkreuzungen mit einer Einfachkreuzung als Tester bewertet. (ii) Für eine geringe Zahl (< 6) von Landrassen wird anschließend eine große Anzahl von DH-Linien erstellt, welche für die Nutzung in der Assoziationskartierung und/oder genomischen Selektion phänotypisiert und genotypisiert werden, um diese „Goldreserven“ für die Maiszüchtung mit innovativen Methoden zugänglich zu machen.