Design and assessment of breeding strategies for hybrid wheat in Europe

Abstract

Wheat is one of the top three global staple crops, possesses the largest global cultivation area, and plays a key role for the world’s future food security. However, its projected yield increase is insufficient to meet the future food and feed demand of an ever-growing world population. Consequently, the rate of breeding progress and productivity of wheat must be increased. Unfortunately, current wheat line breeding has a low return on investment mainly due to high levels of farm saved seeds, which makes wheat less attractive for the plant breeding industry and leads to lower investments and progress compared to other crops where the hybrid technology is established. Hybrid breeding is a worldwide success story in many crops but is not yet established in wheat. Hybrid wheat promises increased yield gain due to the exploitation of heterosis, higher yield stability and stabilized return on investments for breeding companies which warrants further investment and breeding progress in this important stable crop.

The self-pollinating nature of wheat is a major bottleneck for hybrid seed production and efficient hybrid wheat breeding requires the redesign of the wheat floral architecture to enhance cross-pollination. Furthermore, the longterm success of hybrid wheat is crucially dependent on the establishment of heterotic groups, on the identification of a high yielding heterotic pattern, and finally, on the realized amount of heterosis and hybrid performance. Therefore, the main objectives of my thesis research were to: (i) analyze the genetic diversity and adaptation in a global winter wheat collection and evaluate how diversity trends could be used to support the development of heterotic groups in wheat; (ii) assess the relationship between heterosis and genetic distance under maximized diversity and evaluate the usefulness of exotic germplasm for hybrid wheat breeding; (iii) dissect the genetic architecture underlying male floral traits in wheat to enable genomics-assisted breeding approaches and investigate the trait seed set which is most crucial for an efficient hybrid seed production.

The analyses of genetic diversity in a large worldwide panel of 1,110 winter wheat varieties released during the past decades showed no major population structure but revealed genetically distinct subgroups. Most of the global diversity trends could be explained by breeding history and were associated with geographical origin and long-term domestication. We found that the frequency of the copy number variants at the Photoperiod-B1 (Ppd-B1) and the Vernalization-A1 (Vrn-A1) loci reflect wheat adaptation to the environmental conditions of the different regions of origin. Thus, adaptation issues add an additional layer of complexity and hamper the direct introgression of genetic diversity to support the genetic divergence between heterotic pools. Based on all these analyses, we proposed HyBFrame, a unified framework illustrating how global wheat genetic diversity can be used to support and accelerate reciprocal recurrent selection for the development of genetically distinct heterotic groups in wheat.

In a second experiment, we produced 2,046 wheat hybrids by crossing elite with elite lines as well as elite with exotic lines and performed multi-environmental field trials. Interestingly, we found an average midparent heterosis of about 10% in elite crosses as well as in exotic crosses and observed no evidence for a breakdown of heterosis under maximized genetic distance among the hybrid parents. Genetic distance based on genome-wide molecular markers revealed only a very weak association with midparent heterosis for grain yield. Here, we elaborated a functional Rogers’ distance giving weight to heterosis loci and observed a strong positive association between heterosis and this novel distance measure. Hence, considering the genetic architecture of heterosis revealed a more accurate picture of the relationship between heterosis and genetic distance. In addition, the genetic architecture of heterosis in wheat is crucially dependent on the genetic background. We found that a higher number of negative dominance and dominance-by-dominance epistatic effects can reduce the level of absolute heterosis in wide crosses between exotic lines and elite testers. Moreover, hybrid performance in wheat is mainly driven by parental per se performance. Thus, elite lines are favorable for hybrid breeding and should be employed as the starting material for heterotic grouping.

Hybrid seed production is the major bottleneck for hybrid wheat breeding and explains the low market share of hybrid wheat varieties. Seed set on the female plants in crossing blocks is the most crucial trait for hybrid seed production in wheat. We tested 31 male lines and evaluated the hybrid seed set on two female tester lines in crossing blocks. Seed set showed a large genotypic variation and a high heritability suggesting that recurrent selection for increased seed set is feasible. The major problem is the synchronized flowering between male and female lines, making the evaluation of seed set in large panels very complex and difficult. Hence, indirect male floral traits with high correlation to the trait seed set would be promising to breed for improved hybrid seed production. We found a strong association between seed set and visual anther extrusion, underscoring that indirect male floral traits have a high potential for preliminary male screenings. We also dissected the genetic architecture underlying promising male floral traits and assessed the potential of genomics-assisted approaches for their improvement. We employed a panel of 209 diverse wheat lines and found a complex genetic architecture underlying all male floral traits. The Reduced height gene Rht-D1 was identified as the only major QTL, for which the commonly used height-reducing allele showed negative effects on male floral traits. This genetic architecture with many moderate- or small-effect QTL limits classical marker-assisted selection. In contrast, genomic prediction yielded moderate to high prediction abilities for anther extrusion. Finally, we proposed a breeding scheme to increase cross-pollination in wheat based on a combination of phenotypic and genomics-assisted selection.

Taken together, hybrid breeding in wheat is a very promising approach and the next years will show if all of the current issues can be solved. This thesis research contributed to breeding strategies for hybrid wheat breeding and to the general understanding of heterosis in crops.

Weizen ist eines der drei weltweit wichtigsten Grundnahrungsmittel, besitzt die größte globale Anbaufläche und spielt eine Schlüsselrolle für die zukünftige Ernährungssicherheit der Welt. Die vorhergesagten Ertragssteigerungen sind jedoch zu gering um der zukünftigen Nachfrage nach Nahrungs- und Futtermitteln einer stetig wachsenden Weltbevölkerung gerecht zu werden. Folglich müssen der Züchtungsfortschritt und die Produktivität des Weizenanbaus gesteigert werden. Die aktuell im Weizen angewandte Linienzüchtung hat jedoch durch den hohen Anteil des Nachbausaatgutes eine geringe Rentabilität, was die Attraktivität des Weizens für Züchtungsunternehmen mindert und zu geringeren Investitionen und Fortschritt, verglichen mit Hybridkulturarten, führt. Die Hybridzüchtung ist eine weltweite Erfolgsgeschichte, aber im Weizen nicht etabliert. Hybridweizen verspricht erhöhte Ertragszuwächse durch die Ausnutzung der Heterosis, eine höhere Ertragsstabilität und eine stabile Rendite für Züchtungsunternehmen, was weitere Investitionen und Züchtungsfortschritt für dieses wichtige Grundnahrungsmittel gewährleistet.

Die selbstbefruchtende Natur des Weizens ist eine entscheidende Einschränkung für die Hybridsaatgutproduktion und eine effiziente Hybridweizenzüchtung ist auf die Umgestaltung der Weizen- Blühbiologie zur Verbesserung der Fremdbefruchtung angewiesen. Darüber hinaus ist der langfristige Erfolg des Hybridweizens entscheidend von der Etablierung heterotischer Gruppen, der Identifikation eines ertragreichen heterotischen Musters, sowie der letztendlich realisierten Heterosis und Hybridleistung abhängig. Die Hauptziele meiner Dissertation waren daher: (i) die genetische Diversität und Adaptation in einer globalen Winterweizen Kollektion zu analysieren und zu evaluieren wie Diversitätstrends für die Etablierung von heterotischen Gruppen im Weizen unterstützend genutzt werden können; (ii) das Verhältnis zwischen Heterosis und genetischer Distanz, unter der Berücksichtigung maximaler Diversität, zu beurteilen und den Nutzen exotischen Zuchtmaterials für die Hybridweizenzüchtung einzuschätzen; (iii) die genetische Architektur männlicher Blühmerkmale im Weizen zu untersuchen, um genomisch unterstützte Zuchtverfahren zu ermöglichen und darüber hinaus das Merkmal Saatgutansatz zu untersuchen, welches die entscheidende Rolle für eine effiziente Hybridsaatgutproduktion spielt.

Die Analyse der genetischen Diversität einer weltweiten Weizenkollektion mit 1,110 Sorten, zugelassen in den letzten Jahrzehnten, zeigte keine Hauptpopulationsstruktur, aber genetisch unterscheidbare Untergruppen. Viele dieser globalen Diversitätstrends konnten durch die Züchtungsgeschichte erklärt werden und waren mit der geographischen Herkunft und der langfristigen Domestikation assoziiert. Wir konnten zeigen, dass die Kopienzahlvariation an den Photoperiode-B1 (Ppd-B1 ) und Vernalisation-A1 (Vrn-A1 ) Loci die Anpassung des Weizens an verschiedene Umweltbedingungen und die unterschiedlichen Herkunftsregionen widerspiegelt. Adaptationsprobleme führen daher zu einer erhöhten Komplexität und verhindern die direkte Einkreuzung genetischer Diversität, um die genetische Divergenz zwischen heterotischen Gruppen zu unterstützen. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde von uns der HyBFrame Ansatz vorgeschlagen, ein umfassender Rahmen der beschreibt, wie die globale Diversität des Weizens genutzt werden kann, um die reziproke rekurrente Selektion zur Entwicklung genetisch unterschiedlicher heterotischer Gruppen im Weizen beschleunigend zu unterstützen.

In einem zweiten Versuch wurden von uns insgesamt 2,046 Weizenhybriden von Kreuzungen zwischen Elite-Linien und Kreuzungen zwischen Elite- und exotischen Linien produziert und anschließend in Feldversuchen in mehreren Umwelten getestet. Interessanterweise fanden wir eine durchschnittliche Heterosis zum Elternmittel von ungefähr 10% in den Elitekreuzungen sowie in den exotischen Kreuzungen und beobachteten keinen Hinweis für einen Rückgang der Heterosis unter maximaler genetischer Distanz zwischen den Eltern. Die genetische Distanz basierend auf genomweiten molekularen Markern zeigte nur eine sehr schwache Assoziation mit der Heterosis zum Elternmittel. Hier wurde von uns eine funktionale Rogers’ Distanz entwickelt, welche Heterosis Loci besonders wichtet und eine stark positive Korrelation zwischen Heterosis und dieser neuen Distanzmethode beobachten ließ. Die Berücksichtigung der genetischen Architektur der Heterosis führte daher zu einem deutlich klareren Bild zwischen Heterosis und genetischer Distanz. Zudem ist die genetische Architektur der Heterosis im Weizen entscheidend vom genetischen Hintergrund des Materials abhängig. Wir beobachteten, dass ein höheres Ausmaß an negativen Dominanz- und epistatischen Dominanz × Dominanz-Interaktionseffekten das Niveau der absoluten Heterosis in weiten Kreuzungen zwischen exotischen Linien und Elitetestern reduzieren kann. Darüber hinaus wird die Hybridleistung im Weizen maßgeblich von der elterlichen Eigenleistung bestimmt. Folglich sind Elitelinien für die Hybridzüchtung zu favorisieren und sollten als Startmaterial für die heterotische Gruppierung genutzt werden.

Die Hybridsaatgutproduktion ist die entscheidende Einschränkung in der Hybridweizenzüchtung und erklärt den geringen Marktanteil von Hybridsorten. Der Saatgutansatz auf den weiblichen Pflanzen in Kreuzungsblöcken ist das entscheidende Merkmal. Wir haben 31 Väterlinien für ihren Saatgutansatz auf zwei Müttertestern in Kreuzungsblöcken untersucht. Das Merkmal Saatgutansatz zeigte eine große genotypische Variation und eine hohe Heritabilität, was den Einsatz der rekurrenten Selektion zur Verbesserung dieses Merkmals ermöglicht. Das Hauptproblem ist die Synchronisation der Blüte zwischen männlichen und weiblichen Linien, was die Evaluierung des Saatgutansatzes in großen Kollektionen sehr komplex und schwierig gestaltet. Daher wären indirekte männliche Blühmerkmale mit einer hohen Korrelation zum Saatgutansatz sehr vielversprechend, um für eine verbesserte Hybridsaatgutproduktion zu züchten. Wir fanden eine starke Assoziation zwischen Saatgutansatz und visueller Antherenextrusion, was das hohe Potenzial indirekter männlicher Blühmerkmale für erste Bonituren zur Vatereignung unterstreicht. Zudem haben wir die genetische Architektur vielversprechender männlicher Blühmerkmale untersucht und das Potenzial von genomisch unterstützten Ansätzen zur Verbesserung dieser Merkmale evaluiert. In einer Kollektion von 209 diversen Weizenlinien fanden wir eine komplexe genetische Architektur für alle männlichen Blühmerkmale. Das Kurzstrohgen Rht-D1 wurde als einziges Major-Gen (QTL) identifiziert und das häufig verwendete Kurzstroh-Allel zeigte negative Effekte für männliche Blühmerkmale. Diese genetische Architektur, mit vielen mäßig bis wenig wirkenden QTL, limitiert die klassische markergestützte Selektion. Im Gegensatz dazu zeigte die genomische Vorhersage mäßige bis hohe Vorhersagefähigkeiten für Antherenextrusion. Schließlich wurde von uns ein erstes Züchtungsschema, basierend auf phänotypischer und genomisch-unterstützter Selektion, zur Verbesserung der Fremdbefruchtung des Weizens vorgeschlagen.

Zusammenfassend ist der Hybridweizen sehr vielversprechend und die nächsten Jahre werden zeigen, ob alle aktuellen Probleme gelöst werden können. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zu Züchtungsstrategien für die Hybridweizenzüchtung und zum allgemeinen Verständnis von Heterosis in Kulturpflanzen.