The development of phenotypic protocols and adjustment of experimental designs in Pelargonium zonale breeding

Abstract

Ornamental plant variety improvement is limited by current phenotyping approaches and the lack of use of experimental designs. Robust phenotypic data obtained from experiments laid out to best control local variation by blocking allow adequate statistical analysis and are crucial for any breeding purpose, including MAS. Often experiments consist of multiple phases like in P. zonale breeding, where in the first phase stock plants are cultivated to obtain the stem cutting count and in the second phase the stem cuttings are further assess for root formation. The first analyses of rooting experiments raised questions regarding options for improving the two-phase experimental layout, for example whether there is a disadvantage to using exactly the same design in both phases. The other question was, whether a design can be optimized across both phases, such that the MVD can be decreased. Instead of generating a separate layout for each phase. Moreover, optimal selection methods that maximize selection gain in P. zonale breeding based on available data collected from unreplicated trials and containing pedigree information were sought. This thesis was conducted to evaluate the benefits of using two-phase experimental designs and corresponding analysis in P. zonale for production related traits, for which it was necessary to establish phenotyping protocols. To optimize the rooting experiments with their two-phase nature, alternative approaches were explored involving two-phase design generation either in phase wise order or across phases. Furthermore, selection methods considering pedigreeinformation (family-index selection) or not (individual selection), were evaluated to enhance selection efficiency in P. zonale breeding. The benefits of using experimental designs in P. zonale breeding was shown by the simulated response to selection. Alternative designs were evaluated by the MVD obtained by the intrablock analysis and the joint inter-block-intra-block analysis. The efficiency of individual and family-index selection was evaluated in terms of heritability obtained from linear mixed models implementing the selection methods. Simulated response to selection varied greatly, depending on the genotypic variances of the breeding population and traits. However, by using efficient designs allowing adequate analysis, a varietal improvement of over 20% of stock plant reduction is possible for stem cutting count, root formation, branch count and flower count. The smallest MVD for alternative designs was most frequently obtained for designs generated across phases rather than for each phase separately, in particular when both phases of the design were separated with a single pseudolevel. Family-index selection was superior to individual selection in P. zonale indicating that the pedigree-based BLUP procedure can further enhance selection efficiency in productionrelated traits in P. zonale. The quantification of genotypic variation by phenotypic protocols and the optimized two-phase designs for estimating genotypic values were necessary and successful steps in laying the foundation for effective MAS. Phenotypic protocols effectively characterized the genetic material on an observational unit level, while the two-phase experimental designs enabled effective characterization on a genotype level by adjusting entry means using linear mixed models. The resulting adjusted entry means are the basis for future genotype phenotype association for MAS.

In der Zierpflanzenzüchtung werden die Möglichkeiten von Sortenverbesserungen nicht vollständig ausgeschöpft, bedingt durch fehlende Boniturschemata und Anwendung von experimentellen Designs. Robuste phänotypische Daten sind für jegliche züchterische Belange von größter Bedeutung, u.a. die Marker-gestützte Selektion. Dabei können robuste Daten nur von Experimenten erhoben, welche an die jeweiligen umweltspezifischen Bedingungen bestmöglich mittels geeigneter Blockstrukturen angepasst wurden. Experimente können dabei auch mehr als eine Phase beinhalten, wie beispielsweise in der Pelargonienzüchtung, wobei die erste Phase die Kultivierung der Mutterpflanzen und die Ermittlung der Stecklingsanzahl berücksichtigt und in der zweiten Phase, die Stecklinge hinsichtlich der Bewurzelung untersucht werden. Während den ersten Auswertungen der Bewurzelungsexperimenten stellten sich zwei zentrale Optimierungsfragen hinsichtlich der Erstellung von zwei-phasigen Experimenten: „Gibt es einen Nachteil in der Nutzung desselben Designs in beiden Phasen?“ und „Kann ein zweiphasiges Design über beide Phasen so optimiert werden, dass die mittlere Varianz eines paarweisen Mittelwertvergleiches (MVD) minimiert werden kann, anstelle für jede Phase ein eigenes Design zu generieren?“ Außerdem wurde nach optimalen Selektionsmethoden gesucht, die einen bestmöglichen Selektionsgewinn unter der Anwendung von unwiederholten Versuchen und Vorliegen von Verwandtschaftsverhältnissen ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Anwendungsvorteile zwei-phasiger Experimente und deren Analyse in der P. zonale Züchtung für produktionsrelevante Merkmale untersucht, für welche zunächst Boniturschemata erstellt werden mussten. Zur Optimierung der zwei-phasigen Bewurzelungsexperimente, wurden alternative Ansätze entwickelt, die eine Designgenerierung über Phasen hinweg ermöglichen oder wie bisher für jede einzelne Phase des zwei-phasigen Experimentes eine separate Designgenerierung vorsehen. Um die Effizienz der Selektion zu steigern, wurden ferner Selektionsmethoden untersucht, welche die Verwandtschaftsverhältnisse berücksichtigen („Familien-Index“ Selektion) oder nicht („Individual“ Selektion) in der Schätzung genotypischer Effekte. Evaluiert wurden die Anwendungsvorteile zwei-phasiger Experimente mittels des simulierten Selektionserfolges, während die alternativen zwei-phasigen Designs der Bewurzelungsexperimente mittels des MVD basierend auf „Dummy-Analysen“ unter Nutzung der Intra-Block-Information oder unter Nutzung der kombinierten Intra Inter-Block-Information verglichen wurden. Die „Familien-Index“ und „Individual“ Selektionsmethoden wurden mittels der Heritabilität miteinander verglichen. Der simulierte Selektionserfolg variierte erheblich in Abhängigkeit von den geschätzten genotypischen Varianzen der Zuchtpopulation und den untersuchten Merkmalen. Jedoch können unter Nutzung der zwei-phasigen Designs und adäquaten statistischen Auswertung Sortenverbesserungen in Hinblick auf einer Reduzierung der Mutterpflanzen von bis zu 20 % für die Merkmale Stecklingsanzahl, Bewurzelung, Verzweigung und Blütenanzahl wie gefordert erwartet werden. Für die alternativen Ansätze zur Generierung zwei-phasiger Experimente über Phasen hinweg wurden überwiegend die kleinste MVD ermittelt, insbesondere für den Ansatz unter Verwendung von Pseudo-Variablen zur Definition der zwei Phasen des Experimentes. Im Vergleich der Selektionsmethoden war die „Familien-Index“ Selektion besser hinsichtlich der Heritabilitäten als die „Individual“ Selektion und deutete somit eine weitere Steigerung der Selektionseffizienz hin, als diese schon durch die Anwendung von Design und Statistik erreicht worden war. Die Quantifizierung der genotypischen Varianz mittels erstellter Boniturschemata und die Optimierung der zwei-phasigen Experimenten zur besseren Schätzung genotypischer Effekte waren notwendige und erfolgreiche Schritte als Grundlage zur Einführung der Markergestützten Selektion in die P. zonale Züchtung. Mittels den erstellten Boniturschemata konnte das genetisch untersuchte Material effektiv charakterisiert werden, während adjustierte Mittelwerte der Genotypen durch Anwendung zwei-phasiger experimenteller Layouts und deren Auswertung mittels linear gemischter Modelle optimal geschätzt werden konnten. Die adjustierten Mittelwerte der Genotypen sind die Basis für Phänotyp-Genotyp Assoziationen im Rahmen der Marker-gestützten Selektion die künftig in der Züchtung genutzt werden soll.