STRESZCZENIE

STRESZCZENIE
Wśród zbóż jęczmień należy do jednego z gatunków najlepiej rozpoznanych pod
względem genetycznym i ze względu na wysoki konserwatyzm genomu traw stanowi
roślinę modelową w badaniach dotyczących wielu cech, w tym również cech
ilościowych o znaczeniu agronomicznym. Zsekwencjonowanie genomu jęczmienia w
ramach International Barley Genome Sequencing Consortium w 2012 roku i rozwój
systemów molekularnych, zwiększają możliwość dokładnej identyfikacji w roślinach
alleli genów determinujących interesujące cechy ilościowe.
Rośliny uprawne narażone są na wiele stresowych czynników środowiskowych,
wśród których niedobór wody jest jedną z głównych przyczyn obniżających ich
produktywność.
W przedłożonej pracy doktorskiej dokonano analizy fenotypowej i genotypowej
populacji linii rekombinacyjnych jęczmienia jarego otrzymanych z mieszańców
pochodzących ze skrzyżowania form rodzicielskich zróżnicowanych pod względem
cech struktury plonu i reakcji na niedobór wody, tj. odmiany europejskiej Maresi
niosącej
gen
półkarłowatości
sdw1/denso
oraz
linii
syryjskiej
Cam/B1/CI08887/CI05761 przystosowanej do warunków suchego klimatu. Celem
badań była identyfikacja loci cech ilościowych (QTL) związanych z potencjałem
plonowania roślin jęczmienia w środowisku o zmiennej wilgotności podłoża, ze
szczególnym uwzględnieniem związku locus sdw1/denso z kształtowaniem się cech
plonotwórczych, zwłaszcza podczas niedoboru wody.
Badania obejmowały charakterystykę fenotypową 100 rekombinacyjnych linii
wsobnych (RIL) w warunkach optymalnego nawadniania oraz okresowego deficytu
wody zastosowanego w dwóch stadiach rozwojowych roślin, tj. w fazie trzech liści (10
dni) oraz w stadium liścia flagowego (14 dni), przy czym każdy ze stresów zastosowany
był na innej grupie roślin. Obserwowano 18 cech: liczbę źdźbeł produktywnych, ogólną
liczbę źdźbeł, długość pędu głównego, długość kłosa głównego, długość kłosa
bocznego, liczbę kłosków w kłosie głównym, liczbę kłosków w kłosie bocznym, liczbę
ziaren w kłosie głównym. liczbę ziaren w kłosie bocznym, masę ziaren z kłosa
głównego, masę ziaren z kłosa bocznego, masę tysiąca ziaren, masę ziarna z rośliny,
masę słomy z rośliny, termin kłoszenia, współczynnik produktywności źdźbeł, płodność
kłosa głównego, płodność kłosa bocznego.
Dane fenotypowe analizowano w kontekście zintegrowanej mapy genetycznej
obejmującej markery SSR i SNP, utworzonej w ramach projektu POLAPGEN-BD na
podstawie trzech populacji mapujących otrzymanych przez krzyżowanie odmian
europejskich z syryjskimi liniami hodowlanymi. Identyfikację QTL dla analizowanych
cech wykonano według metody opisanej przez Malosetti i zespół (2013) przy użyciu
programu Genstat 16 (VSN Int. 2013). Opierając się na markerach SNP wybranych na
podstawie analizy QTL przeprowadzono adnotacje na podstawie „Gene Ontology” w
oparciu o bazę EnsemblPlants.
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że deficyt wody zastosowany
w późniejszym okresie wegetacji wywierał większy, niekorzystny wpływ na badane
cechy niż stres w stadium siewki. Wysoki współczynnik odziedziczalności (od 72,44 do
95,84%) zarówno w warunkach optymalnych jak i stresowych stwierdzono dla długości
pędu głównego, terminu kłoszenia oraz cech związanych z kłosem głównym i
niektórych cech dotyczących kłosa bocznego. Na podstawie analizy QTL wyodrębniono
153 loci determinujących obserwowane cechy. Stabilne efekty stwierdzono w
odniesieniu do 52 QTL dla wszystkich badanych cech z wyjątkiem terminu kłoszenia i
płodności kłosa głównego. Zidentyfikowano 20 QTL o istotnych efektach wyłącznie w
warunkach niedoboru wody dla liczby źdźbeł produktywnych, ogólnej liczby źdźbeł,
długości pędu głównego, długości kłosa głównego, liczby kłosków w kłosie bocznym,
liczby ziaren w kłosie głównym oraz bocznym, masy ziaren z kłosa bocznego, masy
ziarna z rośliny i płodności kłosa bocznego. Z analizy adnotacji (w oparciu o QTL
specyficzne do warunków niedoboru wody) wynika, że regiony genomu, w których
zmapowano SNP 1250-923 (2H) i SNP 2188-425 (6H) zaangażowane są w odpowiedź
na stres oksydacyjny, który powiązany jest ze stresem deficytu wody. QTL dla cech
plonotwórczych o takich samych efektach w warunkach kontrolnych i w warunkach
niedoboru wody (np. QNPT-5H.1, QLSt-5H.3, QLSm-2H-3, QNSSm-3H.1, QNSSl-4H2) są szczególnie interesujące, gdyż stanowić mogą podstawę do selekcji form
stabilnych. Markery związane z tymi QTL w połączeniu z markerami związanymi z
QTL o efektach fenotypowych istotnych tylko w warunkach stresu niedoboru wody (np.
QNPT-2H-4, QLSm-2H-2, QNGSm-6H-1, QGWP-2H-3) mogą być wykorzystane w
hodowli jęczmienia opartej na MAS (marker assisted selection).
Jedną z pierwszych reakcji rośliny obserwowanej na poziomie fenotypowym w
odpowiedzi na deficyt wody w podłożu jest ograniczenie wzrostu. W niniejszej pracy
zidentyfikowano osiem QTL związanych z długością pędu głównego, rozmieszczonych
w chromosomach 3H-7H. Największy wpływ na cechę wywierał QTL sprzężony z
markerem SNP 5260-462 (11_10754), zmapowany w grupie sprzężeń 3H.1 w obrębie
locus sdw1/denso. Ponadto w regionie tym zidentyfikowano QTL dla długości kłosa
głównego, liczby ziaren w kłosie głównym, masy ziarna z rośliny, a także płodności
kłosa głównego i bocznego. Stwierdzono, że w przypadku zidentyfikowanego w
regionie locus sdw1/denso QTL dla liczby ziaren w kłosie głównym allel z odmiany
Maresi powodował zwiększenie wartości tej cechy tylko w warunkach stresu
zastosowanego w stadium liścia flagowego (S2). Silne sprzężenie QTL dla długości
pędu głównego w tym regionie z QTL dla masy ziarna jak i cech plonotwórczych, w
których allele zwiększające wartości cech pochodziły od formy rodzicielskiej Maresi
wskazuje, że wraz z redukcją wysokości roślin odmiana półkarłowa może wnosić cechy
zwiększające plon ziarna.
Biorąc pod uwagę zależność wysokości rośliny z plonem ziarna zbadano
związek między stabilnością masy ziarna z rośliny a genotypem linii w odniesieniu do
markerów
sprzężonych
z
QTL
determinującymi
długość
pędu
głównego.
Wyodrębniono dwa markery SNP: 1593-1597 (4H) oraz 4795-782 (5H.3). W
przypadku QTL związanego z markerem SNP 1593-1597 wydłużenie pędu głównego
warunkowane było allelem formy rodzicielskiej CamB1, przy czym nie stwierdzono
efektu obniżenia masy ziarna z rośliny, natomiast w QTL sprzężonym z markerem
4795-782 allel odmiany Maresi wpływał na zwiększenie długości pędu głównego.
Spośród 27 stabilnych linii, posiadających jednocześnie allel z formy rodzicielskiej
CamB1 w przypadku markera SNP 1593-1597 oraz allel z odmiany Maresi w
przypadku markera SNP 4795-782, siedem wykazało istotny, pozytywny efekt główny.
Badania podjęte w pracy mają zarówno charakter poznawczy jak i aplikacyjny.
Stanowiły one część projektu POLAPGEN-BD ukierunkowanego na opracowanie
narzędzi biotechnologicznych służących do otrzymywania odmian zbóż o zwiększonej
odporności na suszę. Wyodrębnione w ramach pracy doktorskiej linie RIL o stabilnym
plonie ziarna, a więc niezmieniającym się istotnie w warunkach niedoboru wody, mogą
stanowić materiał wyjściowy do hodowli nowych odmian jęczmienia jarego.