Breeding winter durum wheat for Central Europe : assessment of frost tolerance and quality on a phenotypic and genotypic level

Abstract

Durum wheat (Triticum durum) is a tetraploid wheat that is used for pasta and other semolina products. Quality standards for semolina requested by the pasta industry are very high. Different characteristics should come with the cereal as raw material for an optimal end product. Vitreosity, the glassy and amber quality feature of durum wheat kernels, is an indicator for high semolina yield. The complex protein-starch matrix of glassy kernels breaks the grain into the typical semolina granulate instead of flour during milling. Humid conditions, like late summer rains in Central Europe, have a huge effect on this characteristic, changing this matrix irreversibly. Such processes in the kernel are less understood and challenge plant breeders to find genotypes with improved vitreosity. A set of F5 winter durum wheat lines (Chapter 2) was used to investigate the relationship between protein content and vitreosity as well as the impact of humidity on the stability of the trait. A method to evaluate the mealy part in kernels was improved and enabled to test for the influence of humidity on vitreosity. Furthermore, it was revealed that the vitreosity of a durum wheat kernel depends on the protein content up to a specific threshold as well as on the genotypic potential to form the complex endosperm matrix. The ability to maintain this kernel quality under humid conditions also highly depends on the genetics of a variety. In the Mediterranean region, durum wheat is grown as autumn-sown spring type. The mild winters as well as rain during spring allow the plants to develop well, and the dry summers enable an early harvest in June. Durum wheat production in Central Europe, on the other hand, is confronted with harsh winters and recurring severe frosts. The lack of a sufficient frost tolerance in combination with high quality, forces farmers to use the spring type with a spring sowing. Growing winter durum instead of spring durum wheat, would allow an autumn sowing. Using the winter type in this growing area, could have several advantages like an increased yield and stability due to a prolonged growing time. Further, the constant soil coverage would prevent soil erosion and the growth vigor of winter durum has advantages against weeds. The success of winter durum breeding depends on frost tolerance as a key factor for varieties with excellent winter survival. Discontinuous occurrence of frosts across years and protective snow coverage, however, limit the phenotypic selection for this trait under field conditions. Greenhouses or climate chambers could be used as alternative to test under the necessary conditions, but those fully-controlled tests are time consuming and labor-intensive. The ‘Weihenstephaner Auswinterungsanlage’ are wooden boxes with movable glass lids used as a semi-controlled test. Plants are exposed to all seasonal conditions, including frost stresses, in this test, but they can be protected from snow coverage. While this method is already successfully used to test for frost tolerance in bread wheat, the application in durum wheat has not been evaluated yet. The frost tolerance scorings of winter durum elite lines (F5 and F6) based on the ‘Weihenstephaner Auswinterungsanlage’ were compared to the field evaluation (Chapter 3). It was demonstrated that this semi-controlled test produces reliable and highly heritable (h2 = 0.83-0.86) frost tolerance data. The correlation of those results compared with the field data (r = 0.71) suggests this semi-controlled test as an indirect selection platform. Since it is now possible to test cost-efficient at early stages for frost tolerance, the next challenge was to determine whether the kernel quality or the grain yield suffers from an increased frost tolerance. In a survey with F5 winter durum elite lines, no negative association between frost tolerance and quality or other important agronomic traits could be found in European breeding material (Chapter 4). In order to support classical plant breeding, which relies predominantly on phenotypic data and parental information, molecular markers can be taken into account. Molecular markers can provide an in-depth look into the genetic architecture of traits, enable the determination of the relatedness of genotypes, identify the genetic variation in a population, or can assess the effect of geographic selection preferences. Furthermore, it is possible to assist knowledge-based selection. This improves plant breeding programs on a genetic level. The population structure in spring durum has already been examined with molecular methods in several studies. Winter durum, on the other hand, was only analyzed as a small group as part of spring durum studies or in groups of landraces. A highly diverse and unique panel of 170 winter durum and 14 spring durum lines was analyzed using a genotyping-by-sequencing (GBS) approach. A total of 30,611 markers, well distributed across the chromosomes, were obtained after filtering for marker quality. A principal coordinate analysis and a cluster analysis were applied. Together they revealed the absence of a major population structure (Chapter 5). The lines, however, grouped in a certain way, depending on their origin, associated with decreasing quality and increasing frost tolerance moving from South to Continental Europe. These groups allow breeders to conduct targeted crosses to further improve the frost tolerance in the Central European material. Another possibility is to build heterotic groups for hybrid breeding. The linkage disequilibrium (LD) decay was within 2-5 cM, indicating a high diversity in winter durum. The high marker density together with the extent of LD observed in this analysis allows to perform high-resolution association mapping in the present winter durum panel. The 30,611 markers and additional markers for candidate genes in frost tolerance were used to assess the genetic architecture of frost tolerance in durum wheat (Chapter 6). A major QTL was identified on chromosome 5A, likely being Frost Resistance-A2 (Fr-A2). Additional analysis of copy number variation (CNV) of CBF-A14 at Fr-A2 support this conclusion. CBF-A14 CNV explains about 90% of the proportion of genotypic variance. Two markers found in the QTL region were combined into a haploblock and enabled to capture the genetic variance of this QTL. Furthermore, the frequency of the QTL allele for frost tolerance shows a latitudinal gradient which is likely associated with winter conditions. In summary, the selection tools for vitreosity and frost tolerance provided in this study create a platform for winter durum breeding to select for high quality genotypes with excellent winter survival utilizing phenotypic as well as genotypic information.

Durumweizen (Triticum durum) gehört zu den tetraploiden Weizen und wird für die Herstellung von Pasta und anderer Grießprodukte verwendet. Die geforderten Qualitätsstandards der Pasta-Industrie sind hierbei sehr hoch. Das Rohprodukt muss über verschiedenste Eigenschaften verfügen. Ein wichtiger Indikator für eine hohe Grießausbeute ist die Glasigkeit, sichtbar als typischer glasiger Bernsteincharakter des Durumkornes. Die komplexe Protein-Stärke Matrix des Endosperms veranlasst das glasige Korn während des Mahlprozesses in Gries anstelle von Mehl zu zerfallen. Feuchte Bedingungen, wie Spätsommerregen in Zentraleuropa, haben einen starken Einfluss auf diese Korneigenschaft und verändern hierbei irreversibel die Endospermmatrix. Über diese Vorgänge im Korn ist nur wenig bekannt, was die Selektion auf Glasigkeit erschwert. Daher wurden F5 Winterdurumlinien verwendet (Kapitel 2), um die Zusammenhänge von Proteingehalt und Glasigkeit sowie den Einfluss von Feuchte auf die Glasigkeit zu untersuchen. Eine verbesserte Bestimmungsmethode der Glasigkeit ermöglichte es, die Veränderung der visuellen Struktur des Korns unter feuchten Bedingungen besser zu verstehen. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Ausprägung der Glasigkeit bis zu einem bestimmten Minimal-Proteingehalt des Kornes durch letzteren stark beeinflusst wird. Außerdem spielt das genetische Potenzial, glasige Körner zu bilden und diese auch stabil zu erhalten, eine wichtige Rolle. Im Mittelmeerraum wird Durumweizen als Sommerform im Herbst gesät. Milde Winter und Frühjahrsregen erlauben eine starke Pflanzenentwicklung, und trockene Sommer ermöglichen eine frühe Juniernte. Die Hartweizenproduktion in Zentraleuropa ist jedoch mit starken Wintern und wiederkehrenden Frösten konfrontiert. Das Fehlen von Sorten, die eine ausreichende Frosttoleranz mit hoher Qualität kombinieren, zwingt die Landwirte zu einer Frühjahrsaussaat. Würde man jedoch Winterdurum anstelle von Sommerdurum anbauen, könnte eine Herbstaussaat verwendet werden. Vorteile wären zum Beispiel eine Ertragssteigerung, wie auch eine verbesserte Ertragsstabilität. Eine kontinuierliche Bodenbedeckung würde Bodenerosion vermeiden und der Wachstumsvorsprung der Winterform hätte Vorteile hinsichtlich Unkräutern. Die Frosttoleranz ist ein wichtiger Bestandteil für eine gute Überwinterung und spielt eine Schlüsselrolle für eine erfolgreiche Winterdurum-Züchtung. Das unregelmäßige Auftreten von Frost über die Jahre und isolierende Schneedecken, erschweren hierbei eine regelmäßige Selektion auf dieses Merkmal unter Feldbedingungen. Als Alternative könnten z.B. Klimakammern genutzt werden, solche Methoden sind aber zeitaufwändig und arbeitsintensiv. Die ‘Weihenstephaner Auswinterungsanlage’ sind im Feld aufgestellte Holzkisten mit einem bewegbaren Glasdach. Die Pflanzen werden hier allen natürlichen Wetterbedingungen ausgesetzt, unter anderem Froststress da das Dach die Bildung einer Schneedecke verhindert. Diese Methode wird bereits erfolgreich im Weichweizen eingesetzt, wurde aber bisher noch nicht für Durumweizen evaluiert. Frosttoleranzdaten für Winterdurum (F5 und F6 Linien) wurden mittels der Auswinterungsanlage, wie auch auf dem Feld erhoben und verglichen (Kapitel 3). Es konnte gezeigt werden, dass die Auswinterungsanlage nachvollziehbare und hoch erbliche (h2 = 0.83-0.86) Daten produziert, welche zudem mit den Feldergebnissen stark korrelierten (r = 0.71). Das macht die Auswinterungsanlage zu einer vielversprechenden Plattform für eine Selektion auf Frosttoleranz. Da es nun möglich ist, kostengünstig und zeitsparend bereits in frühen Generationen auf Frosttoleranz zu testen, war es wichtig, zu ermitteln, wie sich Frosttoleranz auf die Kornqualität und –ertrag auswirkt. In einer Studie mit F5 Elite-Winterdurum konnte keine negative Assoziierung zwischen diesen Merkmalen festgestellt werden (Kapitel 4). Klassische Pflanzenzüchtung basiert primär auf phänotypischen Daten und Informationen der Eltern. Mit molekularen Markern kann die Selektion tiefgreifender unterstützt werden. Molekulare Marker können einen Einblick in die genetische Architektur von Merkmalen geben, ermöglichen den Verwandtschaftsgrad zwischen Genotypen zu bestimmen, identifizieren die genetische Variation innerhalb einer Population oder beschreiben den Effekt von geografischen Selektionspräferenzen. Des Weiteren unterstützen sie eine wissensbasierte Selektion. Die Nutzen von molekularen Markern kann die Pflanzenzüchtung beschleunigen und präziser machen. Sommerdurum wurde bereits mit Markern in einigen Populationsstudien untersucht, wohingegen Winterdurum nur in kleinen Gruppen solcher Studien mituntersucht oder Gruppen von Landrassen verwendet wurden. Ein hoch diverses und einmaliges Set aus 170 Winterdurum und 14 Sommerdurum wurde mittels eines Genotyping-by-Sequencing Ansatzes untersucht. Nach einer Qualitätsanalyse ergaben sich daraus 30,611 Marker, welche gut über alle Chromosomen verteilt waren. Eine multidimensionale Skalierung und eine Clusteranalyse ergaben, dass es keine größere Populationsstruktur gibt (Kapitel 5). Die Linien gruppierten sich aber zu einem gewissen Grad anhand ihrer Herkunft, assoziiert mit einer sinkenden Qualität und einer steigenden Frosttoleranz von Südeuropa nach Kontinentaleuropa. Solche Cluster erlauben es Züchtern, gezielte Kreuzungen zwischen diesen Gruppen zu machen, um die Frosttoleranz im Zentraleuropäischen Material weiter zu verbessern. Eine andere Möglichkeit wäre es, diese Cluster beizubehalten, um daraus heterotische Gruppen für den Einsatz von Hybriden zu nutzen. Das Kopplungsungleichgewicht (LD) fiel innerhalb von 2-5 cM unter den Schwellenwert, was eine breite genetische Varianz in Winterdurum signalisiert. Die hohe Markerdichte zusammen mit der Ausdehnung des LD erlaubt, eine hochauflösende Assoziationskartierung in diesem Winterdurum Set durchzuführen. Die 30,611 Marker, inklusive zusätzlicher Marker für Kandidaten-Gene der Frosttoleranz, wurden verwendet, um die genetische Architektur von Frosttoleranz innerhalb von Hartweizen zu analysieren (Kapitel 6). Ein neuer QTL wurde auf Chromosom 5A entdeckt und entspricht dem Frost Resistance-A2 (Fr-A2). Weitere Analysen von CBF-A14 am Fr-A2 Lokus, welches in verschiedene Kopien vorkommt (CNV), unterstützen diese Annahme. CBF-A14 CNV erklärt etwa 90% der genetischen Varianz. Zwei Marker die mit der Region des QTL assoziiert sind, wurden zu einem Haploblock zusammengefasst und ermöglichen es die genetische Varianz des QTL zu erfassen. Die Frequenz des QTL-Allels für Frosttoleranz verteilte sich entlang der geographischen Herkunft der Genotypen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die neu erarbeiteten Selektionsmethoden für Glasigkeit und Frosttoleranz in dieser Studie eine gute Basis für die Auswahl neuer Winterdurumlinien mit hoher Qualität und guter Winterhärte bilden. Hierbei kann auf phänotypische und genotypische Informationen zurückgegriffen werden.