Phenotypic and genotypic assessment of traits with relevance for hybrid breeding in European winter wheat

Hybrid breeding in wheat has recently received increased interest, especially in Europe, and large public and private projects investigating hybrid wheat breeding have been launched. Hybrid breeding has been a great success story for allogamous crops and is seen as a promising approach to increase the yield potential in wheat. Wheat covers more of the world’s surface than any other food crop and is the second main staple crop for human consumption. It can be produced under widely varying conditions and is grown all around the globe, yet, yield gain has declined and is lagging behind the needs of the constantly growing human population. Future challenges in wheat breeding such as the establishment of hybrid varieties and the adaptation of breeding germplasm to increasing stresses caused by climatic changes also in Europe require knowledge-based improvements of relevant traits and phenotyping approaches suited for applied high-throughput plant breeding. A major limitation for the establishment and the production of hybrid wheat is the lack of a cost-efficient hybrid seed production system. This requires the generation of parental ideotypes which maximize the cross-fertilization capability. Male parents should have an extended time of flowering, extrude anthers and widely shed large amounts of viable pollen. Females need increased receptivity for male pollen by opening the glumes and extruding stigmatic hair. Furthermore, male plants should be taller than females and a synchronized timing of flowering between the two parents is also of utmost importance. Employing a set of European elite winter wheat lines, we developed and evaluated phenotyping methods for important floral and flowering traits with relevance for improved cross-pollination (Publication I). We observed high heritabilities for important traits such as ‘pollen mass’ (h2=0.72) and ‘anther extrusion’ (h2=0.91). In addition, genotypic variances were significant which warrants further breeding success. Positive correlations were found among important flowering and floral characteristics which enables the improvement of outcrossing by indirect selection. ‘Pollen mass’ for example, was associated with ‘anther extrusion’, ‘anther length’ and ‘plant height’. Our findings suggest the utility of the developed phenotyping approaches for applied plant breeding and the potential of the traits to assist in the design of the male ideotype for increased cross-fertilization. We investigated the genetic architecture of flowering time and plant height (Publication II and III). A panel of 410 European winter wheat varieties was genotyped by a genotyping-by-sequencing approach and in addition, analyzed for the effects of specific candidate genes. The major factor affecting flowering time was the photoperiod regulator Ppd-D1 (58.2% of explained genotypic variance) followed by Ppd-B1 copy number variation (3.2%). For plant height, the two candidate loci Rht-D1 (37.0%) and Rht-B1 (14.0%) had the largest effects on the trait but contrary to reports in the literature did not contribute to flowering time control. In addition, we identified several small effect QTL and epistatic QTL responsible for fine-adjustments of these two traits. Population structure and genetic relatedness in European elite wheat lines was assessed using different types of markers (Publication IV). Results for relatedness differed for the marker types but consistently showed the absence of a major population structure. Regarding the large wheat genome our results revealed that a high number of markers is necessary as there are regions with only low coverage. Concordantly, we were not able to identify the major flowering locus Ppd-D1 without targeted candidate gene analysis. Observations on the findings on population structure could be confirmed in Publication II and III and in addition, the geographical distribution of important flowering time and plant height genes displayed the historical development of wheat breeding in Europe. This information on genetic relatedness among lines can also be employed to assist the establishment of hybrid wheat.

Die Hybridzüchtung hat als neue Zuchtmethode bei Weizen großes Interesse geweckt. Vor allem in Europa wurden in den letzten Jahren große Projekte aus öffentlicher und privater Hand ins Leben gerufen, welche die Hybridweizenzucht voranbringen sollen. Das Züchten von Hybriden bei allogamen Kulturarten war von hohem Erfolg gekrönt und auch die Weizenzucht möchte damit das Ertragspotential von Weizen steigern. Weizen hat weltweit gesehen die größte Anbaufläche unter den Kulturarten und steht an zweiter Stelle der wichtigsten Grundnahrungsmittel. Weizen hat die Fähigkeit unter sehr variablen Bedingungen zu gedeihen. Allerdings ist der Ertragszuwachs eingebrochen und kann mit dem fortschreitenden Wachstum der Weltbevölkerung nicht mehr Schritt halten. Die Weizenzucht muss auf zukünftige Herausforderungen reagieren. Der Wandel hin zu Hybriden muss vollzogen werden und das Zuchtmaterial muss für künftig erhöhten Umweltstress gerüstet sein, da klimatische Veränderungen auch in Europa deutliche Auswirkungen haben werden. Es sind daher wissensbasierte Verbesserungen von wichtigen Pflanzenmerkmalen notwendig und effektive Zuchtstrategien, die in der angewandten Pflanzenzüchtung Verwendung finden können. Das größte Hindernis Hybridweizen zu züchten und herzustellen besteht in der unprofitablen Herstellung von Saatgut. Dazu ist eine bestens abgestimmte Mischung agronomisch wichtiger Eigenschaften in Kombination mit einem hohen Maße an Auskreuzung zwischen den Elterlinien notwendig. Vaterlinien müssen in der Lage sein über einen ausgedehnten Zeitraum zu blühen und dabei ihre Antheren aus den Blüten heraus zu schieben und große Mengen an lebensfähigem Pollen zu verbreiten. Mutterlinien brauchen ein hohes Maß an Empfänglichkeit für den Pollen des Bestäubers, welche durch das Öffnen der Spelzen und dem Heraustreten der Stigmata erreicht wird. Zudem sollte der Pollenspenden höher gewachsen sein als die Mutterlinie und der Blühzeitpunkt beider Eltern muss exakt aufeinander abgestimmt sein. Unter Verwendung von europäischen Elite-Winterweizenlinien haben wir Phänotypisierungsmethoden für wichtige Blüten- und Blüheigenschaften entwickelt und beurteilt, die zur Steigerung der Fremdbestäubung von Bedeutung sind. Wir konnten hohe Heritabilitäten für wichtige Merkmale, wie Pollenmasse (pollen mass) und Antherenextrusion (anther extrusion), feststellen. Zudem waren genotypische Varianzen signifikant – Voraussetzung für eine erfolgreiche züchterische Bearbeitung. Wichtige Blüten- und Blühmerkmale waren miteinander positiv korreliert, welches eine Verbesserung der Auskreuzungsrate durch indirekte Selektion begünstigt. Pollenmasse korrelierte mit Antherenextrusion, Antherenlänge (anther length) und Pflanzenhöhe (plant height). Aufgrund der Erkenntnisse aus der Studie bescheinigten wir den darin entwickelten Methoden eine hohe Eignung für den Einsatz in der angewandten Pflanzenzüchtung. Bei der Entwicklung des idealen Phänotyps eines Hybridvaters mit erhöhter Auskreuzungseignung wiesen viele der beschriebenen Pflanzenmerkmale großes Potential auf, als Zuchtmerkmale Verwendung zu finden. Wir untersuchten die genetische Regulation der Merkmale Blühzeitpunkt und Pflanzenhöhe. Zu diesem Zweck wurden 410 europäische Winterweizensorten mittels eines „genotyping-by-sequencing“ Ansatzes genotypisiert und mittels genomweiter Assoziationsstudie analysiert. Zusätzlich wurden die Effekte von ausgewählten Kandidatengenen ermittelt. Hauptverantwortlich für die Blühregulation bei Weizen war der Photoperiode-Regulator Ppd-D1 gefolgt von Ppd-B1 „copy number variation“. Die beiden Kandidatengen Loci Rht-D1 und Rht-B1 hatten den größten Einfluss auf die Wuchshöhe. Entgegen Berichten aus der Literatur konnte für die Rht Loci kein Effekt auf die Blühregulation festgestellt werden. Zusätzlich wurden für beide Merkmale kleine QTL und epistatische QTL detektiert. Mittels unterschiedlicher genetischer Markertypen wurden Untersuchungen zur Populationsstruktur und Verwandtschaft in europäischen Elite-Weizenlinien durchgeführt. Bezüglich Verwandtschaftsverhältnissen wurden unterschiedliche Resultate erzielt bei Verwendung verschiedener Markertypen, wohingegen bei keiner der Analysen eine Populationsstruktur festgestellt wurde. Unsere Untersuchungen ergaben, dass angesichts der Größe des Weizengenoms eine große Anzahl von Marker von Nöten ist. Weite Regionen wiesen nur eine geringe Markerdichte auf. Diese Beobachtungen bestätigten sich, da wir ohne eine gezielte Kandidatengenanalyse den wichtigsten Blühregulator Ppd-D1 nicht detektiert hätten. Untersuchungen zur geografischen Verbreitung wichtiger Blühzeitpunkt- und Pflanzenhöheregulatoren spiegelten die historische Entwicklung der Weizenzüchtung in Europa wider. Die Informationen über die genetische Verwandtschaft innerhalb der Linien können genutzt werden, um Hybridweizen zu entwickeln.