Biometrical Analyses of Epistasis and the Relationship between Line per se and Testcross Performance of Agronomic Traits in Elite Populations of European Maize (Zea mays L.)

Abstract

Relations of yield and other important agronomic traits of inbred lines to the same traits in hybrids have been studied from the time of initiation of hybrid breeding to the present. Because crossing lines to a tester and conducting yield trials are expensive and time-consuming, reliable information on inbred lines that is indicative of their testcross performance is crucial for optimum testing schemes in hybrid breeding as well as simultaneous improvement of commercial hybrids and their inbred parents. It has therefore been of great importance to determine the magnitude of correlation between line per se performance (LP) and testcross performance (TP) and investigate if epistasis influences this correlation. The comprehensive study on hand was performed with five populations (F3 to F6 lines) differing in size (ranging from 71 to 344), level of inbreeding, and the number of common parents. The populations employed were derived from three biparental crosses within the heterotic pool of European elite flint maize (Zea mays L.). All five populations were evaluated for TP (using an unrelated dent tester inbred) of five agronomically important quantitative traits: grain yield, grain moisture, kernel weight, protein concentration, and plant height. Four of these populations were also evaluated for LP of the same five traits. The objectives were to (i) estimate phenotypic and genotypic correlations between LP and TP within four populations for all five traits, (ii) map quantitative trait loci (QTL) for LP and TP in four and five populations, respectively, for all five traits, (iii) validate estimated QTL effects and positions for TP by assessing QTL congruency among testcross populations differing in size and genetic background, (iv) determine the value of LP-QTL for the prediction of TP, (v) estimate the importance of epistatic effects for LP and TP of grain yield and grain moisture by generation means analysis as well as genome-wide testing for epistatic marker pairs, and (vi) draw conclusions regarding the prospects of marker-assisted selection (MAS). Genotypic correlations between LP and TP, rg(LP, TP), estimated herein were comparable with those obtained for European flint or U.S. dent material. The magnitude of rg(LP, TP) was trait-specific: for traits of high heritability, i.e. grain moisture, kernel weight, protein concentration, and plant height, estimates were generally larger than 0.7 across all four populations, whereas for grain yield, estimates were consistently lower and did not exceed the intermediate level of 0.5. For grain yield, lowest rg(LP, TP) were estimated with lowest precision (largest confidence intervals). This requires testing for both LP and TP and/or combining the data in a selection index to ensure sufficient inbred performance (seed production) and yield improvement. However, combined selection for LP and TP proved less efficient than sole selection for TP unless unadapted material was employed. For kernel weight, protein concentration, and plant height, we detected "large" congruent QTL across testcross populations derived from the same cross, which individually explained up to 46% of the validated genotypic variance p. However, as the p values estimated from validation were still below the corresponding heritability estimates, MAS will be superior to phenotypic selection only if it is more cost-efficient. For the above traits, similar numbers of QTL for LP and TP were detected across populations. More than half of the QTL regions detected for LP were in common for LP and TP in the largest population (N = 280). To assess the value of QTL identified for LP in predicting TP, we calculated the genotypic correlation rg(MLP, YTP). This parameter assesses QTL congruency for LP and TP quantitatively and is thus the key parameter for assessing the prospects of MAS. The number of common QTL for LP and TP (qualitative QTL congruency) was generally not indicative of the magnitude of rg(MLP, YTP) due to the differences in the effect size of the respective QTL detected for LP and used for the prediction of TP. For all traits, rg(MLP, YTP) were smaller than rg(LP, TP). This is because rg(MLP, YTP) is only predictive for the validated proportion of genotypic variance explained by the QTL for LP, which was generally below 50% because of the limited power of QTL detection, in particular with small sample sizes below 100. Only if QTL detected for LP explain a substantial proportion of the genotypic variance, MAS based on these QTL can be applied, provided it is more cost-efficient than an indirect phenotypic selection for TP based on LP. QTL detection power was drastically reduced for the complex trait grain yield with a presumably large number of small QTL underlying its genetic architecture. Thus, the number of common QTL for LP and TP as well as the QTL congruency across testcross populations was much lower for grain yield than the other four traits. Estimated gene action of QTL detected for LP was primarily additive for grain yield. Evidence for dominance and/or epistasis, which may be a reason for the low rg(LP, TP) and the low number of common QTL for LP and TP was generally weak. Both generation means analysis for LP and TP and genome-wide search for epistatic marker pairs yielded no evidence for epistasis. This is not only because the detected epistatic effects could not be validated, but also because there is low chance to find epistasis unless the generation examined displays the full epistatic variance such as expected from doubled haploids produced from an F1 cross. Thus, it is anticipated that the relative importance of epistatic effects in hybrid maize breeding may strongly increase with the currently happening shift in line development from recurrent selfing towards the production of doubled haploids.

Zentrales Ziel in Hybridzüchtungsprogrammen von Mais (Zea mays L.) ist die Selektion von Linien mit hoher Kreuzungsleistung. Da die Herstellung und Prüfung der Testkreuzungen in Hybridzüchtungsprogrammen sehr zeit- und kostenaufwendig sind, wurde schon früh in der Geschichte der Maiszüchtung versucht, die Eigenleistung der Linien (EL) als Selektionskriterium für eine Vorauswahl der Linien heranzuziehen. Zudem ist die EL der Linien für eine ökonomische Saatgutproduktion relevant, insbesondere bei der Herstellung von Einfachhybriden. Die Aussichten einer simultanen Verbesserung der EL- und Testkreuzungsleistung (TL) sowie einer indirekten Verbesserung der TL durch Selektion auf EL werden von der genotypischen Korrelation rg(EL, TL) zwischen den beiden Selektionskriterien bestimmt. Die Höhe dieser Korrelation wird von einer Reihe genetischer Faktoren bestimmt, unter anderem möglicherweise vom epistatischen Zusammenwirken beteiligter Gene, das ebenfalls Gegenstand dieser Studie war. Die vorliegende Arbeit wurde an fünf Populationen durchgeführt (F3 bis F6 Linien), die aus drei biparentalen Kreuzungen zwischen vier Elitelinien des europäischen Flint-Formenkreises hervorgegangen waren. Diese unterschieden sich in ihrem Umfang (zwischen 71 und 344 Linien) und Inzuchtgrad sowie der Anzahl gemeinsamer Eltern. Alle fünf Populationen wurden auf ihre TL mit einer aus dem Dent-Formenkreis stammenden Inzuchtlinie (Tester) evaluiert. Insgesamt wurden fünf agronomisch wichtige quantitative Merkmale erfaßt: Kornertrag, Kornfeuchte, Tausendkorngewicht, Proteingehalt und Wuchshöhe. Vier dieser Populationen wurden gleichzeitig auf ihre EL in diesen Merkmalen geprüft. Anhand dieses Materials wurden folgende Fragestellungen untersucht: (i) Wie hoch ist die phänotypische und genotypische Korrelation zwischen EL und TL bei wichtigen Merkmalen von Körnermais? (ii) Wie konsistent sind die gefundenen QTL (quantitative trait locus/loci) für ein gegebenes Merkmal in verschiedenen auf TL geprüften Populationen sowie beim Vergleich von EL und TL in verschiedenen auf EL und TL zugleich geprüften Populationen? (iii) Inwiefern liefern die Ergebnisse aus QTL-Analysen für EL und TL eine Erklärung für die geschätzten genotypischen Korrelationen zwischen diesen beiden Kriterien? (iv) Welche Bedeutung haben epistatische Effekte auf der Ebene von Generationsmittelwertanalysen für EL und TL sowie auf der Ebene einzelner QTL? Die geschätzten genotypischen Korrelationen in unseren Populationen des europäischen Flint-Formenkreises stimmten größenmäßig mit publizierten Schätzwerten aus den US-amerikanischen Studien mit den Linien des Dent-Formenkreises überein. Generell ergaben sich für Merkmale mit höherer Heritabilität und hauptsächlich additiver Genwirkung wie Kornfeuchte, Tausendkorngewicht, Proteingehalt und Wuchshöhe höhere Schätzwerte der rg(EL, TL) (> 0.7) als für den Kornertrag, für den die niedrigsten Werte mit geringster Präzision ermittelt wurden. Daraus folgt, dass für die Merkmale Kornfeuchte, Tausendkorngewicht, Proteingehalt und Wuchshöhe eine relativ verläßliche Vorhersage der TL aufgrund der EL der Linien möglich ist. Beim Kornertrag hingegen ist eine direkte Bewertung der TL notwendig. Für Tausendkorngewicht, Proteingehalt und Wuchshöhe wurden für TL in den Populationsvergleichen derselben Kreuzung übereinstimmende QTL gefunden, die einzeln bis zu 46% der validierten genotypischen Varianz erklärten. Da dieser Anteil allerdings unter der Heritabilität einer Prüfung an vier Umwelten liegt, ist die marker-gestützte Selektion (MAS) nur dann effizienter als eine direkte Auslese auf TL, wenn die Beobachtungswerte sehr viel aufwendiger bzw. teurer zu erheben sind als die Markerdaten. Für diese Merkmale wurden in der größten Population über die Hälfte der für EL detektierten QTL auch für TL detektiert. Die Anzahl der für EL und TL gemeinsamen QTL war über die Populationen allerdings nicht proportional zu der Größe von rg(MEL, YTL). Letzteres ist die Korrelation zwischen der vorhergesagten TL aufgrund der QTL-Ergebnisse für EL und der tatsächlich beobachteten TL und somit eine quantitative Erfassung der Übereinstimmung von QTL über EL und TL. Sie stellt den Schlüsselparameter für die Erfolgsaussichten der MAS dar. Die Schätzwerte von rg(MEL, YTL) waren bei allen Merkmalen kleiner als rg(EL, TL) weil die rg(MEL, YTL) nur denjenigen Anteil der genotypischen Varianz vorhersagen kann, welcher auch tatsächlich durch die detektierten QTL für EL erklärt wird. Dieser war jedoch generell kleiner als 50% aufgrund der limitierten QTL-Detektionsgüte (Power) bei Populationsgrößen unter 100. Insofern ist auch hier der ökonomische Aspekt bei der Bewertung der Erfolgsaussichten von MAS maßgebend. Da die Güte der QTL-Detektion bei Populationsgrößen kleiner 100 und insbesondere bei kleinen QTL komplexer Merkmale wie Kornertrag stark abnimmt, reduzierte sich für dieses Merkmal entsprechend die Wahrscheinlichkeit einer gleichzeitigen Detektion für EL und TL bzw. die konsistente Detektion von QTL in verschiedenen auf TL geprüften Populationen. Große Populationsumfänge sind notwendig, um die Übereinstimmung zwischen QTL-Experimenten und die Aussichten von MAS auch bei mittleren bzw. kleinen QTL beurteilen zu können. Aus den QTL-Analysen für EL ergaben sich weiterhin nur schwache Hinweise auf dominante und epistatische Geneffekte als Ursache für die beobachteten niedrigen Schätzwerte rg(EL, TL) für Kornertrag. Generationsmittelwertanalysen für EL und TL sowie genomweite Tests auf Epistasie lieferten ebenfalls keine eindeutigen Hinweise auf Epistasie. Dies ist nicht zuletzt eine Folge der Implementierung von statistischen Validierungsverfahren in dieser Studie, welche die starke Überschätzung der genetischen Effekte in den zurzeit angewandten statistischen QTL-Verfahren aufdecken und zur Vorsicht im Umgang mit den Ergebnissen hinsichtlich ihrer Nutzung für MAS mahnen. Der Nachweis einer Genwirkungsweise ist aber nichtsdestoweniger vom züchterischen Verfahren zur Entwicklung des im Experiment verwendeten Materials abhängig. Insofern stellt der sich vollziehende Wandel in der züchterischen Praxis bei der Entwicklung von Linien in Richtung Produktion von Doppelhaploiden, bei welchen die epistatische Varianz der gekoppelten Loci erhalten bleibt, mit Sicherheit eine Verbesserung für künftige Epistasieuntersuchungen dar.