Identifikace genů rezistence k nádorovitosti pomocí asociativní transkriptomiky

Ing. Mgr. Ondřej HEJNA

Disertační práce

Mapping of clubroot resistance genes by associative transcriptomics

Anotace:

Současný tlak patogenů na hospodářské plodiny představuje pro šlechtění náročné úkoly. Jedním z vážných problémů, které současné moderní šlechtění řeší, představuje nádorovitost košťálovin. Toto onemocnění způsobuje půdní biotrofní patogen Plasmodiophora brassicae. V současnosti představuje tento patogen závažné problémy pro většinu brukvovitých plodin v celosvětovém měřítku. Možnosti regulace této nemoci jsou nyní relativně omezené a z ekonomického hlediska se jeví jako jediná efektivní možnost, pěstování rezistentních odrůd. Do současné doby bylo identifikováno několik genetických zdrojů rezistence pro šlechtění, nicméně jejich použití při šlechtění do jisté míry brání neznalost principu fungování rezistence. V rámci této práce je hodnocena odolnost kolekce genotypů B. napus k nádorovitosti a následně jsou tato data použita pro dvojici analýz založených na metodách asociativní transkriptomiky sloužící k nalezení selekčních markerů a příčinných genů. Při hodnocení reakce 250 genotypů ve variabilní kolekci B. napus byl použit směsný patotyp nádorovitosti ECD 17/31/31. Výsledkem tohoto testování bylo nalezení 46 rezistentních genotypů, jejichž index napadení (DI) převyšoval hodnotu 80. Pro 245 genotypů byla získána RNAseq data ze sekvenování jejich transkriptomů. V těchto datech byly identifikovány SNP markery a expresní profily genů, které byly následně použity ve dvou asociativních analýzách. V prvním případě byla na základě 256 397 SNP markerů provedena SNP asociační analýza. Výsledkem této analýzy bylo nalezení 86 SNP markerů, které byly lokalizovány do 9 různých oblasti na šesti chromozomech. Tyto rezistentní lokusy byly pojmenovány podle jejich polohy jako BnA01_0308, BnA02_0265, BnA02_0286, BnA03_0186, BnA03_0263, BnA08_0009, BnC02_0414, BnC07_0238 a BnC07_0421. V rámci těchto oblastí bylo nalezeno 392 genů. V případě druhé asociační analýzy byly použity expresní profily 53 889 genů B. napus, které vykazovaly určitou míru změny exprese mezi jednotlivými genotypy. Samotná analýza hodnotila míru asociace mezi expresními profily a DI. Na základě této analýzy bylo nalezeno 19 asociovaných genů. V posledním kroku byly provedeny anotační analýzy GO, InterPro a anotace na základě podobnosti s geny Arabidopsis thaliana pro geny, které byly výsledkem předchozích asociačních analýz. Na základě těchto dat bylo vybráno 82 kandidátních genů zapojujících se do odolnosti proti nádorovitosti košťálovin. Tyto výsledky představují užitečné informace jak pro samotné šlechtění identifikací asociovaných SNP markerů použitelných pro šlechtění odolných odrůd, tak pro pochopení samotného principu rezistence u B. napus.

Abstract:

The current high pathogenic pressure on agriculture crops is the task for breeders. One of the serious problems that modern breeding is struggling to address is clubroot. This disease is caused by the soil biotrophic pathogen Plasmodiophora brassicae. At present, this pathogen presents serious problems for most cruciferous crops worldwide. The possibilities for controlling this disease are very limited. From an economic point of view, the most effective option is growing resistant or tolerant varieties against this pathogen. To date, several genetic sources of resistance for breeding have been identified. However, the application of these resources inbreeding is problematic, because there is a lack of knowledge of the basis of the resistance and lack of understanding of causal genes or proteins. In this study, the resistance of the B. napus genotypes to clubroot was evaluated. An Associative Transcriptomics approach was used to identify markers and causal genes associated with resistance to clubroot. In assessing the response of a genetic diversity panel comprising 250 accessions of B. napus, the mixed pathotype ECD 17/31/31 was used. The result of this testing finds 46 genotypes with disease index (DI) greater than 80. Such varieties can be considered resistant. For 245 genotypes, RNAseq transcriptome data were obtained for use in two associative analyses. In the first assay, SNP association analysis was performed with 256,397 SNP markers distributed across the genome of B. napus. The result of this analysis revealed 86 SNP markers located in 9 different regions on chromosomes A01, A02, A03, A08, C02 and C07. Resistant loci were named according to their location as BnA01_0308, BnA02_0265, BnA02_0286, BnA03_0186, BnA03_0263, BnA08_0009, BnCO02_0414, BnCO07_0238 and BnCO07_0421. Altogether, 392 genes were found in these regions. For the second association analysis, transcript abundance data of 53,889 genes in the B. napus genome were used. The analysis itself evaluated the degree of association between expression profiles and DI profile. Based on this analysis, 19 associated genes were revealed. In the last step, annotation analyzes GO, InterPro, and annotations were performed based on similarity to Arabidopsis thaliana genes. Overall, 82 candidate genes were selected to be involved in clubroot resistance. These results provide useful information both for breeding by identifying associated SNP markers useful for breeding resistant varieties and for understanding the elements of resistance in B. napus.

Klíčová slova

nádorovitost košťálovin, Plasmodiophora brassicae, Brassica napus, asociativní genomika a transkriptomika

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 9. 2019

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. Ing. Vladislav Čurn, Ph.D.

JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH

Zemědělská fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biotechnologie / Zemědělské biotechnologie