Molecular and agronomic assessment of genetic diversity and hybrid breeding in triticale

Abstract

Knowledge of the genetic diversity of a species is of paramount importance for the choice of crossing parents in line and hybrid breeding. Genetic distance (GD) estimates based on molecular markers proved to be well suited for direct exploration of the relationship within a germplasm pool. Triticale hybrid breeding and heterosis have received increasing attention in recent years. Hybrid seed production is highly attractive for autogamous species because of the built-in variety protection of hybrids in comparison to line varieties. The main objective was to appraise the prospect of hybrid breeding in European winter triticale and develop time- and cost-reducing strategies. In particular, the main objectives were to (i) assess and compare genetic diversity estimates in European winter triticale elite germplasm based on molecular markers and pedigree data, (ii) determine hybrid performance and heterosis in multiple environments, and (iii) evaluate prediction methods for hybrid performance and heterosis to support future hybrid breeding programs. Average coancestry coefficient between all pairs of the 128 European elite genotypes was low (f = 0.059) due to scanty information available for the majority of the varieties and breeding lines. Better estimates of genetic distance of triticale genotypes were obtained by molecular marker assessment with 93 simple sequence repeat (SSR) markers and 10 PstI/TaqI primer combinations of amplified fragment length polymorphism (AFLP) markers. While SSR markers have been developed in wheat and rye and are mapped in the genome, the location and distribution of AFLP markers is unknown. Both marker systems resulted in reliable genetic diversity estimates. The moderate correlation between genetic distance estimate (GD) of SSR and AFLP marker analyses (GDSSR; GDAFLP) corresponded with other studies. Cluster analysis and principle coordinate analysis revealed no clear separation of germplasm groups. Supported by a bootstrap analysis, it was concluded that both marker systems provide consistent information for germplasm identification. The lack of grouping is in concordance with the breeding history of triticale as a self-pollinator, the wide adaptation of the inter-generic species and the single end-use purpose. Simultaneously to the marker assessment, 209 F1 hybrids were produced by a chemical hybridizing agent. The hybrids and their parents (57 females and five testers) were evaluated in field trials in six environments in Germany during the season 2001-2002. A combined analysis revealed significant heterosis for all eight traits. The level of mid-parent heterosis was positive for grain yield, 1000-kernel weight, number of kernels per spike, test weight and plant height and negative for number of spikes per m², falling number and protein concentration. Forty-six of the hybrids outyielded modern varieties, which were included as checks, by 10% and more. This aspect is important for the success of hybrids on the market for commercial production. Results regarding hybrid performance, heterosis, GCA/SCA relationship, trait correlation in hybrids and parents and aspects regarding cost-effective high quality F1 seed production appear to be sufficiently positive to encourage further work on hybrid breeding. Approaches to reduce time and costs for the identification of superior parental combinations and the prediction of hybrid performance revealed no reliable method yet. Correlations between SCA and GD of parents based on the different marker systems were low for all traits, which hampers prediction. Grouping of germplasm based on GD estimates or on heterotic response of the hybrids could not be discovered in triticale. As a consequence, a first step for an optimum allocation of resources in commercial hybrid breeding programs is the development of heterotic groups. In the present study, several females have been sub-grouped according to their heterotic response and SCA for grain yield with two tester pairs. Following the early history of hybrid breeding in maize, a multi-stage procedure was suggested for triticale to evaluate and expand the sub-grouping and enhance heterosis among groups.

Die Kenntnis der genetischen Diversität innerhalb einer Art ist sowohl in der Linienzüchtung als auch in der Hybridzüchtung für die Wahl der Kreuzungspartner von größter Bedeutung. Auf molekularen Markern basierende genetische Distanzen eignen sich besonders, um die Verwandtschaft direkt im genetischen Hintergrund aufzudecken. Hybridzüchtung und Heterosis bei Triticale haben in den letzten Jahren wachsende Aufmerksamkeit erfahren. Die Produktion und der Vertrieb von Hybridsaatgut sind aufgrund des implizierten Sortenschutzes besonders für selbstbefruchtende Arten attraktiv. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten vor allem die Perspektiven für Hybridzüchtung in europäischem Wintertriticale abgeschätzt und zeit- und kostenminimierende Strategien dazu entwickelt werden. Im Einzelnen sollten (i) die Schätzwerte für genetische Distanzen des europäischen Elitezuchtmaterials mit Hilfe von molekularen Markern und Abstammungsdaten beurteilt und miteinander verglichen, (ii) das Ausmaß von Hybridleistung und Heterosis in mehrortigen Leistungsprüfungen festgestellt, und (iii) Vorhersagemethoden für Hybridleistung und Heterosis zur Unterstützung zukünftiger Hybridzüchtungsprogramme bewertet werden. Der durchschnittliche Abstammungskoeffzient zwischen allen Paaren der 128 europäischen Elitegenotypen war aufgrund eingeschränkter Angaben für eine Vielzahl der Sorten und Zuchtstämme niedrig (f = 0,059). Die genetische Diversität in Triticale wurden durch Untersuchungen mit 93 ?simple sequence repeat? (SSR-) Markern und 10 PstI/TaqI Primerkombinationen von ?amplified fragment length polymorphism? (AFLP-) Markern besser abgebildet. Die SSR-Marker dieser Studie wurden im Weizen- und Roggengenom entwickelt und kartiert. Im Gegensatz dazu war die Lokalisation und Verteilung der AFLP-Marker im Genom unbekannt. Beide Markersysteme resultierten in zuverlässigen Schätzwerten für die genetische Diversität. Die moderate Korrelation zwischen genetischer Distanz (GD) der SSR und AFLP Markeranalysen (GDSSR; GDAFLP) wurde auch in Studien anderer Arten beobachtet. Cluster- und Hauptkoordinatenanalysen zeigten keine klar abgegrenzten Gruppen. Unterstützt durch eine ?Bootstrap?-Analyse konnte der Schluss gezogen werden, dass die Informationen beider Markersysteme von ähnlicher Qualität und Aussagekraft für die Erfassung der genetischen Diversität sind. Die fehlende Gruppierung stimmt mit den Schlussfolgerungen aus der Züchtungshistorie von Triticale als Selbstbefruchter, seiner breiten Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen und dem Fehlen unterschiedlicher Nutzungsrichtungen überein. Zeitgleich zu den Markeranalysen wurden 209 F1 Hybriden unter Verwendung eines chemischen Hybridizierungsmittels produziert. Die Hybriden wurden zusammen mit ihren 57 Müttern und fünf väterlichen Testern in sechsortigen Leistungsprüfungen in Deutschland während der Vegetationsperiode 2001-2002 geprüft. Eine kombinierte statistische Auswertung ergab signifikante Heterosis für alle acht Merkmale, wobei die Ergebnisse vergleichbar mit anderen Studien bei Weizen waren. Das Ausmaß der Heterosis im weiteren Sinn (Heterosis zum Elternmittel) war für Kornertrag, 1000-Korn Gewicht, Anzahl der Körner, Hektolitergewicht und Pflanzenhöhe positiv und für Ährenzahl pro Quadratmeter, Fallzahl und Proteinkonzentration negativ. Vierundsechzig Hybriden übertrafen auch moderne Liniensorten, die als Standards mitgeprüft wurden, im Ertrag um mehr als 10%. Diese Überlegenheit ist als ein kommerziell nutzbarer Ertragsvorteil für ein erfolgreiches Hybridzüchtungsprogramm bedeutend. Die Ergebnisse zu den verschiedenen Aspekten der kosteneffizienten Produktion von hochwertigem F1 Saatgut von Triticale lassen es als gerechtfertigt erscheinen, weiteren Aufwand für die Etablierung der Hybridzüchtung bei Triticale zu betreiben. Methoden, die Zeit und Kosten bei der Identifikation der besten Elternkombinationen reduzieren oder die sich zur Vorhersage von Hybridleistung eignen, müssen für europäischen Wintertriticale allerdings erst entwickelt werden. Die Korrelationen zwischen spezifischer Kombinationseignung und genetischer Distanz der Eltern waren für alle Merkmale niedrig. Die Triticalegenotypen konnten weder aufgrund der genetischen Distanzen in Gruppen unterteilt werden, noch konnten mit Hilfe der agronomischen Daten heterotische Gruppen definiert werden. In kommerziellen Hybridzuchtprogrammen ist als ein erster Schritt zur optimalen Nutzung der Ressourcen die Entwicklung solcher Gruppen notwendig. In dieser Studie wurden einige Hybridmütter aufgrund ihrer heterotischen Reaktion im Kornertrag gegenüber zwei Testerpaaren in Untergruppen eingeteilt, wobei auch die Ergebnisse bezüglich SCA herangezogen wurden. In Anlehnung an den Beginn der Hybridzüchtung von Mais konnte eine mehrstufige Vorgehensweise für Triticale vorgeschlagen werden, um die Untergruppen zu evaluieren, zu vergrößern und letztendlich die Heterosis zwischen den neu definierten Gruppen zu erhöhen.