Development and fine mapping of markers closely linked to the SCMV resistance loci Scmv1 and Scmv2 in European maize (Zea mays L.)

Abstract

Sugarcane mosaic virus (SCMV) is an important disease in European maize cultivars (Zea mays L.). Because of its non-persistent transmission by aphid vectors, it is not possible to control SCMV directly. Therefore, cultivation of resistant maize varieties is an efficient way to control SCMV infections. The overall objectives of this study were the genetic analysis of SCMV resistance in cross F7 x FAP1360A and the identification of closely linked markers to the SCMV resistance genes Scmv1 on chromosome 6 and Scmv2 on chromosome 3 for map-based cloning and marker-assisted selection (MAS). The technical objectives were to (1) identify in particular the location of Scmv1 and Scmv2 on chromosomes 3 and 6 in cross F7 x FAP1360A, (2) estimate the gene action of the alleles present at these loci, (3) enrich the SCMV resistance regions surrounding Scmv1 and Scmv2 with amplified fragment length polymorphism (AFLP) and simple sequence repeat (SSR) markers by applying a modified targeted bulked segregant analysis, tBSA, (4) convert AFLP markers into codominant, simple PCR-based markers as a tool for MAS and map-based cloning of Scmv1 and Scmv2 and, (5) assess resistance gene analogues (RGAs) as potential candidate genes for Scmv1 and Scmv2. Quantitative trait loci (QTL) mapping SSR markers revealed the presence of two QTL on chromosome 6 (Scmv1a and Scmv1b) and one QTL on chromosome 3 (Scmv2). tBSA identified 24 AFLP and 25 SSR markers adjacent to either Scmv1 or Scmv2. AFLP marker E35M62-1, closely linked to Scmv1 on chromosome 6, was successfully converted into an indel marker. For chromosome 3, AFLP marker E33M61-2 was converted into a CAPS marker. Both converted AFLP markers mapped to the same chromosome region as their original AFLP markers. Development of CAPS of the RGAs and mapping in relation to SCMV resistance genes Scmv1 and Scmv2 identified pic19 and pic13 as potential candidates for these resistance genes. In this study, useful markers were developed for applications in MAS. Because inheritance of SCMV resistance is strongly affected by the environment, MAS enables the selection of resistant individuals independently of field experiments. Furthermore, MAS can assist breeders to identify resistant individuals before flowering and to pyramid resistance genes in elite inbred lines. Another benefit of these closely linked markers is their application for map-based cloning. Final evidence, whether there are one or more genes clustered on chromosomes 3 and 6, conferring resistance against SCMV, can only be solved after cloning these genes.

Das Zuckerrohrmosaikvirus (sugarcane mosaic virus, SCMV) ist eine wichtige Pflanzenkrankheit im europäischen Maisanbau. Aufgrund der nicht-persistenten Übertragung durch Blattläuse ist es nicht möglich, SCMV direkt zu bekämpfen. Daher stellt der Anbau resistenter Maissorten die einzig wirksame Bekämpfungsmaßnahme dar. In Rahmen dieser Studie wurde die Resistenz gegenüber SCMV innerhalb der Kreuzung F7 x FAP1360A untersucht. Im Vordergrund stand das Auffinden von eng mit den SCMV-Resistenzgenen Scmv1 und Scmv2 gekoppelten Markern als Basis für die markergestützte Selektion und die kartengestützte Klonierung. Die Ziele der Arbeit waren (1) die genaue Charakterisierung der Kartenposition von Scmv1 auf Chromosom 6 und Scmv2 auf Chromosom 3, (2) die Schätzung der Geneffekte und Genwirkungsweise der Chromosomenregionen (QTL) die an der Ausprägung der Resistenz gegenüber SCMV beteiligt sind, (3) das Auffinden von eng mit den Resistenzgenen gekoppelten SSR- und AFLP-Markern mittels einer tBSA (targeted bulked segregant analysis), (4) die Konversion von AFLP-Markern zu einfacher handhabbaren PCR-basierten Markern und (5) die Bewertung von Resistenzgenanaloga (RGA) als mögliche Kandidatengene für Scmv1 und Scmv2. Eine QTL-Kartierung mit vier SSR-Markern bestätigte zwei QTL auf den Chromosomen 6 (Scmv1) und 3 (Scmv2). Mit einer QTL-Analyse mit 24 SSR-Markern und denselben F3-Familien konnten zwei QTL (Scmv1a und Scmv1b) auf Chromosom 6 und ein QTL auf Chromosom 3 identifiziert werden. Mittels tBSA wurden 24 AFLP- und 25 SSR-Marker in den Zielregionen Scmv1 und Scmv2 kartiert. Der eng mit Scmv1 gekoppelte AFLP-Marker E35M62-1 konnte erfolgreich in einen Indel-Marker umgewandelt werden. Ein AFLP-Marker (E33M61-2) für Chromosom 3 wurde zu einem CAPS-Marker konvertiert. Beide konvertierten Marker kartierten in dieselbe Chromosomenregion wie die zur Konversion verwendeten AFLP-Marker. Die Entwicklung von CAPS-Markern aus RGA und deren Kartierung identifizierte pic19 (Scmv1) und pic13 (Scmv2) als mögliche Kandidaten für diese Resistenzgene. Die in dieser Studie entwickelten und charakterisierten Marker können gut zur MAS eingesetzt werden. Da die Merkmalsausbildung der SCMV-Resistenz stark abhängig von Umweltfaktoren ist, könnten mit Hilfe von MAS resistente Einzelpflanzen unabhängig von Feldversuchen und mechanischer Inokulation noch vor der Blüte selektiert werden. Ein eindeutiger Beweis, wieviele Gene auf den Chromosomen 3 und 6 tatsächlich an der Resistenz gegen SCMV beteiligt sind, kann nur durch die Klonierung dieser Gene erbracht werden.