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Doctoral Thesis
2004
Genetic diversity in germplasm of cornsalad (Valerianella locusta L.), radish (Raphanus sativus L.), and celeriac (Apium graveolens L. var. rapaceum), investigated with PCR-based molecular markers
Genetic diversity in germplasm of cornsalad (Valerianella locusta L.), radish (Raphanus sativus L.), and celeriac (Apium graveolens L. var. rapaceum), investigated with PCR-based molecular markers
Abstract (English)
During the last couple of decades, production and economic importance of cornsalad (Valerianella locusta L.; fam. Valerianaceae), radish (Raphanus sativus L. var. sativus convar. radicula; fam. Brassicaceae), and celeriac (Apium graveolens L. var. rapaceum; fam. Apiaceae) have been considerably increasing in Europe. Nevertheless, genetic diversity currently utilized for breeding cornsalad, radish, and celeriac is narrow, whereas their germplasm collections in gene banks are relatively poor.
Assessment of genetic diversity among breeding materials and genetic resources is an important consideration for the optimal design of further breeding programs. The major objective of this study was to investigate genetic diversity in germplasm of cornsalad, radish, and celeriac, applying amplified fragment length polymorphisms (AFLPs) and inter simple sequence repeats (ISSRs) molecular markers. In particular, the objectives were to (i) analyze relationships among breeding materials of the three vegetable crops (referred to as elite germplasm), as well as among their formerly grown varieties, gene bank and botanical garden accessions (referred to as exotic germplasm), (ii) reveal genetic structure of radish germplasm to establish heterotic pools for hybrid breeding, and (iii) evaluate the usefulness of introducing exotic materials for broadening of the elite germplasm in cornsalad, radish, and celeriac.
Average genetic similarity in 34 elite varieties of cornsalad was very high (GS = 0.90), which is comparable with other autogamous crops. The majority of elite varieties clustered closely applying the UPGMA analysis because of a narrow-based germplasm in cornsalad breeding. A substantial level of genetic diversity (GS = 0.47) was detected in 30 cornsalad varieties representing exotic germplasm. Exotic varieties that interspersed the sub-clusters of the elite may serve as a direct genetic resource for broadening the elite cornsalad germplasm base, whereas Valerianella locusta-related species that were distinct from cultivated germplasm can contribute to the introgression of new (resistance) genes.
Sixty-eight varieties of cultivated radish (garden and Black radish) created sub-clusters with GS estimates higher than 0.70, thus supporting the assumption that the currently used radish germplasm in Europe relies on a narrow genetic base. Owing to a high degree of heterogeneity and heterozygosity within radish varieties, the detected between-variety diversity was low, but there still was a substantial overall diversity in available radish germplasm. Applying both UPGMA and principal coordinate analyses, Black radish varieties were distinct from garden radish. A further unambiguous division within garden radish germplasm was revealed with the model-based clustering approach. These sub-groups can be employed for establishment of heterotic pools within European modern cultivars of garden radish. In addition, ISSRs can substantially reduce hybrid radish production costs by an early detection of two closely related weed species (R. raphanistrum and R. sativus L. var. sativus convar. sinensis).
AFLPs and the evaluation of morphological traits were used to investigate genetic diversity in 34 varieties of elite celeriac germplasm and 35 accessions of exotic germplasm. Only two morphological traits supported the clustering pattern obtained with UPGMA analysis of morphological distance estimates. AFLP-based GS estimates offered a clearer view of diversity present in elite (GS = 0.68-0.95) and exotic germplasm (GS = 0.05-0.95), and clustered the two sets in distinct UPGMA-based sub-clusters. This indicated that only a small fraction of available genetic diversity is exploited for current breeding of celeriac. Exotic celeriac germplasm as well as varieties of celery and leaf celery might substantially improve commercial celeriac breeding. Wild relatives of Apium graveolens are valuable resources for the introgression of resistance genes. Regarding the generally high level of GS in celeriac germplasm conserved in the German gene bank, a broadening of the germplasm collection was suggested.
This study demonstrated the capacity of molecular markers to be highly discriminating among varieties of cornsalad, radish, and celeriac. AFLP-based genetic similarity estimates in the three vegetable crops (i) allowed the first insight into the genetic diversity and structure present in the germplasm, (ii) offered suggestions for germplasm broadening, and (iii) proposed a way of rationalization and utilization of available germplasm resources.
Abstract (German)
Während der letzten Jahrzehnte ist in Europa die Produktion und wirtschaftliche Bedeutung von Feldsalat (Valerianella locusta L.; Fam. Valerianaceae), Radies (Raphanus sativus L. var. sativus convar. radicula; Fam. Brassicaceae) und Knollensellerie (Apium graveolens L. var. rapaceum; Fam. Apiaceae) beachtlich gestiegen. Allerdings ist die genetische Diversität dieser drei Kulturarten stark eingeschränkt.
Für eine Optimierung von Züchtungsprogrammen sind Informationen über die vorhandene genetischen Diversität innerhalb des Zuchtmaterials und die Verwandtschaft des Zuchtmaterials zu genetischen Ressourcen entscheidend. Ziel dieser experimentellen Arbeit war, die genetische Diversität von Feldsalat, Radies und Knollensellerie mit zwei unterschiedlichen DNA-Markersystemen, ?amplified fragment length polymorphism (AFLPs)? und ?inter simple sequence repeats (ISSRs)?, zu untersuchen. Die einzelnen Ziele waren (i) die Untersuchung der Verwandtschaftsbeziehungen von Zuchtmaterial der drei Kulturarten (nachstehend als Elitematerial bezeichnet) sowie von historischen Sorten und Genbankmuster (nachstehend als exotisches Material bezeichnet), (ii) die Analyse von Möglichkeiten zur Etablierung von heterotischen Gruppen in Radies, und (iii) die Erörterung des Nutzens von exotischem Material zur Erweiterung des Elitezuchtmaterials in alle drei Kulturarten.
Die beobachtete durchschnittliche genetische Ähnlichkeit zwischen 34 Feldsalatelitelinien war sehr hoch (GS = 0.90). Dies ist vergleichbar mit Ergebnissen aus Studien anderer selbstbefurchtender Kulturarten. Dagegen verdeutlicht die niedrige durchschnittliche genetische Ähnlichkeit zwischen 30 exotischen Feldsalatlinien (GS = 0.47) eine hohe genetische Diversität des exotischen Materials. Exotische Feldsalatlinien, welche nahe mit dem Elitematerial verwandt sind, können direkt zur Erweiterung der genetischen Basis des Elitezuchtmaterials eingesetzt werden. Die mit Feldsalat weniger eng verwandten Arten könnten dagegen als Donor neuer (Resistenz-) Gene dienen.
Achtundsechzig Radiessorten (Radieschen und Rettich) bildeten Untergruppen mit einer hohen genetischen Ähnlichkeit (GS = 0.70). Diese Tatsache unterstützt die These, dass die genetische Basis von europäischem Radies eng ist. Infolge der hohen Heterozygotie und Heterogenität innerhalb von Radies war die Diversität zwischen Sorten gering. Die gesamte genetische Diversität des untersuchten Radiesmaterials war allerdings ausreichend. Sorten von Rettich waren sowohl in einer Hauptkoordinaten- als auch in einer Clusteranalyse deutlich von Sorten von Radieschen getrennt. Eine weitere klare Untergruppierung innerhalb der Radieschensorten wurde mittels einer Modell-basierenden Clusteranalyse beobachtet. Diese Untergruppen können für die Etablierung heterotischer Gruppen von europäischem Radies benutzt werden. Weiterhin sind die Ergebnisse der ISSR-Studie hilfreich, die Kosten bei der Hybridproduktion von Radies zu reduzieren, da sie eine frühzeitige Erkennung zweier Unkrautarten (R. raphanistrum und R. sativus L. var. sativus convar. sinensis) in Radies ermöglichen.
AFLPs und morphologische Daten wurden dazu benutzt, die genetische Diversität in 34 Elite- und 35 exotischen Knollenselleriesorten zu untersuchen. Nur zwei morphologische Merkmale bestätigten die Gruppierung, die in einer Clusteranalyse basierend auf den morphologischen Distanzen beobachtet wurden. Andererseits kann mit AFLP-basierenden genetischen Ähnlichkeiten klar die Diversität des Elite- (GS = 0.68-0.95) und des exotischem Materials (GS = 0.05-0.95) beschrieben werden und eine UPGMA-Clusteranalyse erlaubt eine deutliche Trennung in Untergruppen. Diese eindeutige Unterteilung des Materials und der hohe Anteil polymorpher AFLP-Banden in exotischen Sorten deutet darauf hin, dass das aktuelle Knollenselleriezuchtmaterial nur einen kleinen Bruchteil der verfügbaren genetischen Diversität nutzt. Die Introgression von exotischen Knollenselleriesorten sowie von Stiel- und Schnittsellerie in das Knollenselleriezuchtmaterial könnte kommerziell genutzte Sorten verbessern. Die Wildarten von Apium können durch interspezifische Kreuzungen als Donoren für Resistenzgene genutzt werden. Die hohe genetische Ähnlichkeit zwischen exotischen Akzessionen von Knollensellerie der Genbank IPK deutet auf die Notwendigkeit hin, diese Sammlung zu erweitern.
Diese Studie belegt die Einsatzmöglichkeiten molekularer Marker im Feldsalat, Radies und Knollensellerie zur Unterscheidung von Sorten. AFLP-basierende genetische Ähnlichkeiten ermöglichten (i) erste Einblicke über die vorhandene genetische Diversität und Struktur der drei Kulturarten, (ii) Vorschläge zur Erweiterung der genetischen Basis, und (iii) eröffneten die Möglichkeit, vorhandene genetische Ressourcen effektiv zu nutzen.
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Notes
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Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Plant Breeding, Seed Science and Population Genetics
Examination date
2004-08-29
Supervisor
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Muminovic2004,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/4994},
author = {Muminovic, Jasmina},
title = {Genetic diversity in germplasm of cornsalad (Valerianella locusta L.), radish (Raphanus sativus L.), and celeriac (Apium graveolens L. var. rapaceum), investigated with PCR-based molecular markers},
year = {2004},
school = {Universität Hohenheim},
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