Association mapping of effective leaf rust resistance genes in collection of winter wheat

Abstract

Leaf rust disease caused by Puccinia triticina contributes to decrease of wheat yield worldwide. Development of Next Generation Sequencing (NGS) technologies allows for scanning of genotypes. Next, selected markers associated with agronomically important traits can be used for genomic selection. In the present study 94 haplotypes scored for 4599 Single Nucleotide Polymorphism (SNP) markers extracted from DArTseq data were associated with reaction to leaf rust at adult stage estimated for three years in three locations. Mixed Linear Model (MLM) was applied to identify associations between haplotypes Area Under Disease Progress Curve (AUDPC) and Final Leaf Rust score (FLR). We found 13 markers that explained from 6.2 to 14.6% variation in AUDPC. These markers generally presented unique loci distributed over chromosomes 1A, 2A, 2B, 3D, 4A, 6B and 7B. The markers associated with FLR explained from 8.5 to 21.0% of variation. For FLR, 20 markers associated with phenotypic variation were distributed over 10 wheat chromosomes. Chromosomes 2B, 3B and 5B were represented by multiple markers. The characterized genotypes can be crossed to accumulate markers associated with improved leaf rust resistance. Alternatively, mapping populations can be developed to map more precisely the resistance loci identified in association studies. The markers proposed can be directly used in genomic selection to improve leaf rust resistance in modern wheat cultivars.

Rdza brunatna wywoływana przez Puccinia triticina przyczynia się do zmniejszenia plonu pszenicy na świecie. Opracowanie technologii sekwencjonowania następnej generacji (NGS) pozwala na skanowanie genotypow. Wybrane markery zasocjowane z cechami istotnymi rolniczo mogą być wykorzystane do selekcji genomowej. W prezentowanych badaniach 94 haplotypy zostały scharakteryzowane po względem 4599 markerow typu polimorfizm pojedynczy nukleotydu (SNP), reprezentujących dane DArTseq. Dane te były poddane analizie asocjacyjnej z rdzą brunatną w stadium rośliny dojrzałej przez trzy lata w trzech lokalizacjach. W celu identyfikacji asocjacji pomiędzy haplotypami a powierzchnią pod krzywą rozwoju choroby (AUDPC) i końcową oceną rdzy brunatnej (FLR) zastosowano mieszany model liniowy (MLM). Zidentyfikowano 13 markerow, ktore wyjaśniały 6,2–14,6% zmienności w AUDPC. Markery te reprezentowały pojedyncze loci rozmieszczone na chromosomach 1A, 2A, 2B, 3D, 4A, 6B i 7B. Markery zasocjowane z FLR wyjaśniały 8,5–21,0% zmienności. W przypadku FLR 20 markerow zasocjowanych ze zmienności fenotypową było rozmieszczonych na 10 chromosomach pszenicy. Chromosomy 2B, 3B i 5B były reprezentowane przez serie markerow. Scharakteryzowane genotypy mogą być krzyżowane w celu nagromadzenia markerow zasocjowanych ze zwiększeniem odporności na rdzę brunatną. Opcjonalnie, w celu precyzyjnej lokalizacji efektow stwierdzonych w badaniach asocjacyjnych, w odniesieniu do wcześniej zidentyfikowanych genow można testować dodatkowo populacje mapujące. Proponowane markery mogą być bezpośrednio wykorzystane w selekcji genomowej w celu zwiększenia odporności na rdzę brunatną w nowych odmianach pszenicy.