Mapping and identification of flowering time genes in bread wheat (Triticum aestivum L.)

Mgr. Zuzana IVANIČOVÁ

Doctoral thesis

Fine Mapping and Candidate Gene Analysis of the Flowering Time Gene on Wheat

Abstract:

Bread wheat (Triticum aestivum) is one of the most important crops. It is a staple food for 30% of population. Increasing of human population leads to necessity to achieve higher yield without enlarging of arable land. One way of achievement may rest in adaptation of flowering process to microenvironmental conditions. The flowering and subsequent grain filling period is sensitive and optimal conditions during this process have profound impact on grain quality and yield. This work focuses on identification of genes and their allelic variation which participates on adjustment of flowering. This work can be divided into two parts. The first part of the work deals with identification and characterization of new allele of vernalization gene VRN-A1 VRN-A1f-like allele. The very original source of this allele is tetraploid wheat Triticum millitinae Zhuk. with AAGG genomic composition. The allele confers spring habit and is characteristic by short deletions in promoter region, insertion of miniature inverted transposable element and wide deletion in the first intron. This allele was responsible for delayed flowering in comparison to previously identified Vrn-A1a allele. The second project determined that higher number of copies of photoperiodic gene Ppd-B1 was responsible for difference in flowering time between two bread wheat varieties. Identification of flowering time variability in F7 generation lines with three copies of Ppd-B1 led to determination of expression and methylation pattern of chosen lines, in order to reveal nature of this intragroup variation. The important source of new genes and alleles are domesticated tetraploid wheat. The identification of evolutionary relationship within these groups and their genetic characterization can lead to discovery of new sources of variability. The additional part of the work is dealing with evolutionary relationship within tetraploid wheats and their domestication. Knowledge of flowering time genes, their functions and interaction in determination of this process is important prerequisite for breeding new varieties adapted to local microenvironment.

Abstract:

Pšenica letná (Triticum aestivum) je základnou plodinou pre 30 % celosvetovej populácie. V súčasnej dobe je nutné jej ročný výnos zvyšovať, a to v dôsledku neustáleho rastu počtu ľudí. Vyšší výnos je však ohrozený rôznymi abiotickými a biotickými faktormi. Jedným z možných spôsobov je modifikácia času kvitnutia tak, aby bol prispôsobený lokálnym podmienkam prostredia. Optimálny čas kvitnutia je totiž dôležitý pre ochranu kvetných častí pred poškodením (v dôsledku chladu alebo sucha), a teda zabezpečenie vhodných podmienok pre vývin obiliek. Hlavným cieľom predloženej práce je identifikácia génov/alel, ktoré sú zodpovedné za variáciu v čase kvitnutia. Vlastnú prácu je možné tematicky rozdeliť na dve časti. Prvá časť sa zaoberá identifikáciou novej alely vernalizačného génu Vrn-A1f-like. Táto alela je charakteristická sekvenčnými zmenami v promótorovej oblasti (krátke delécie) a v oblasti prvého intrónu (inzercia miniature inverted transposable element a rozsiahla delécia). Alela Vrn-A1f-like bola zodpovedná za oneskorenie kvitnutia v porovnaní s už predtým identifikovanou alelou Vrn-A1a. Zodpovednosť vyššieho počtu kópií fotoperiodického génu Ppd-B1 za rozdiel v čase kvitnutia u variet pšenice letnej bola nosnou témou druhej časti práce. V štúdii bola zároveň identifikovaná variabilita v čase kvitnutia v rámci línií s troma kópiami tohto génu. V snahe zistiť príčinu týchto rozdielností došlo k analýze expresného profilu a rovnako aj metylácie sledovaného génu. Práve identifikácia nových génov/alel zodpovedných za rozdiely v kvitnutí, ich charakterizácia a identifikácia funkcie v rámci biochemických dráh umožní úplné pochopenie tohto dôležitého procesu. Posledná časť práce sa zaoberala identifikáciou miesta domestikácie a evolučných vzťahov medzi skupinou tetraploidných pšeníc. Práve charakterizácia týchto druhov na úrovni genómu určenie vzťahov medzi nimi môže viesť k identifikácii nového, cenného zdroja genetickej variability. Implementácia týchto znalostí do procesu šľachtenia zas umožní tvorbu nových kultivarov schopných vo výraznej miere odolávať nepriaznivým podmienkam prostredia.

Keywords

pšenica letná, čas kvitnutia, genetické mapovanie, analýza QTL, vernalizácia, fotoperióda

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 9. 2017

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Jan Šafář, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Botany