Genetische Analysen für eine markergestützte Verbesserung der Trockenstresstoleranz von Winterackerbohnen | Genetic analysis for marker assisted improvement of drought tolerance in autumn sown Faba Bean

In dieser Arbeit zu genetischen Analysen für die Vorbereitung eine markergestützten Selek-tion auf Trockenstresstoleranz bei der Winterackerbohne wurden 196 Winterackerbohnen-Inzuchtlinien und vier Sommerackerbohnen-Inzuchtlinien genotypisiert. Diese Inzuchtlinien wurden außerdem hinsichtlich der Physiologie-Merkmale Spad-Wert, Membranstabilitäts-index, Blattwassergehalt, Gesamtgehalt löslicher Zucker sowie Prolin- und Glycinbetainge-halt in je einer Kontroll- und einer Stressbehandlung phänotypisiert. Anhand eines Verifika-tionssatzes von 40 der 196 Winterackerbohnen-Inzuchtlinien wurden korrelative Verbin-dungen zwischen den physiologischen Merkmalen sowie feldbasierten und züchterisch relevanten Merkmalen wie bspw. Ertrag gesucht. Diese feldbasierten Merkmale wurden mit Hilfe von Rain-Out-Sheltern an den Standorten Göttingen und Groß Lüsewitz in den Jahren 2010/2011, 2012 und 2012/2013 erfasst. Ferner wurden die Möglichkeiten einer Simulation von Trockenstressreaktionen anhand dieses Verifikationssatzes durch Sikkationsversuche mit Kaliumjodidapplikation untersucht. Es konnten keine eindeutigen Beziehungen zwi-schen der Stressreaktion induziert durch Wassermangel und durch Kaliumjodidapplikation ermittelt werden. Außerdem wurden keine eindeutigen Beziehungen der physiologischen Merkmale zu den feldbasierten Trockenstressresultaten gefunden. Mittels einer Kartierungspopulation von 101 RIL wurde eine genetische Karte der Acker-bohne mit zwölf Kopplungsgruppen bestehend aus insgesamt 1451 Markern und einer Län-ge von 1633,2 cM erstellt. Fünf dieser Kopplungsgruppen konnten als Fragmente identifi-ziert werden. Die verbleibenden sieben Kopplungsgruppen wurden mit den verwendeten SNP-Markern mittelbar den sechs Chromosomen der Ackerbohne zugeordnet. Hierbei stel-len z. B. die erste und vierte Kopplungsgruppe gemeinsam eine Kopplungsgruppe dar. Die so kartierten Marker wurden hinsichtlich ihres Spaltungsverhältnisses innerhalb des A-Satzes – bestehend aus 189 der 196 phänotypisierten Winterackerbohnen-Inzuchtlinien – überprüft und für eine Assoziationsanalyse mit den Physiologiemerkmalen ausgewählt. Das Gametenphasenungleichgewicht zwischen 323 610 Markerpaaren wurde ihrer jeweiligen Distanz auf der genetischen Karte gegenübergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass in der Entstehungsgeschichte des untersuchten Materials das Gametenphasenungleichgewicht durch Rekombination stark abgebaut wurde. In die Assoziationsanalyse flossen insgesamt 1322 Marker ein. Mittels dieser molekularen Marker konnten insgesamt sechs QTL für Physiologie-Merkmale identifiziert werden. Dabei entfiel je ein QTL auf die Merkmale absolute Differenz im Glycinbetaingehalt zwischen Stress- und Kontrollbehandlung und Glycinbetaingehalt in der Kontrollbehandlung. Vier QTL konnten für die absolute Differenz zwischen dem Prolingehalt in der Stress- und Kontroll-behandlung identifiziert werden. Die gefundenen QTL können anhand der vorliegenden feldbasierten Verifikationsdaten nicht als markergestützte Selektionsmöglichkeit auf Tro-ckenstresstoleranz empfohlen werden. Der nächste Schritt ist demzufolge, mittels feldba-sierter Prüfungen der Inzuchtlinien in realen, relevanten Trockenstresslagen über ausrei-chend viele Orte und Jahre die Bedeutung der physiologischen Merkmale weiter zu prüfen.

In this analysis, aiming to prepare for marker-assisted selection of drought tolerance in autumn sown faba bean (Vicia faba L.), 196 winter-type and four spring-type inbred lines were genotyped. Physiological traits such as spad, membrane stability index, leaf water content, total content of soluble sugars as well as proline and glycine betaine accumulation were assessed in control and stress treatments. 40 out of 196 inbred lines were pheno-typed in the field to elucidate correlations between physiological traits and field-assessed traits, such as yield. Rain-Out-Shelters were used in Göttingen and Groß Lüsewitz in 2010/2011, 2012 and 2012/2013. Chemical desiccation with potassium iodide solution was used to test such indirect means of drought stress simulation. Yet, no trustworthy relations were found between drought and desiccation induced stress symptoms. Furthermore, no clear correlations were proven between physiological traits and field-based drought stress results. Using a mapping population of 101 RIL a genetic map comprising 1451 molecular markers, 12 linkage groups and a total length of 1633.2 cM was constructed. Five of these linkage groups were identified as fragments. The seven remaining ones were indirectly assigned to the six chromosomes of faba bean via SNP-markers, e.g. linkage group one and four repre-sent one shared linkage group. Mapped markers were selected upon their segregation pat-tern in the A-set – comprising 189 of the phenotyped 196 winter-type inbred lines – and used in association analysis of physiological traits. Linkage disequilibrium between 323 610 marker pairs was compared to their map distance. Decay of linkage disequilibrium is shown to be reduced by recombination during genetic material’s development. Using 1322 molecular markers in association mapping, six QTL for physiological traits were identified. One QTL each for absolute difference in glycine betaine content between con-troll and stress treatment and glycine betaine in control treatment were found. Further, four markers were identified to be related to absolute difference in proline content be-tween stress and control treatment. Yet, the QTL identified cannot be recommended for marker-assisted selection on drought stress tolerance as traits’ relevance could not be veri-fied in the field. In a next step, inbred lines could be field-phenotyped in naturally drought prone environments using multiple years and locations. Such results could be used for fur-ther evaluation of the above mentioned physiological traits.