Research Collection
Doctoral Thesis
Genetic dissection of self-compatibility in perennial ryegrass (Lolium perenne L.) and its exploitation for breeding
Author(s):
Cropano, Claudio Publication Date:
2021
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-b-000479187
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ETH Library
DISS. ETH NO. 27304
Genetic dissection of self-compatibility in perennial ryegrass (Lolium perenne L.) and its
exploitation for breeding
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
CLAUDIO CROPANO
MSc. Plant Sciences, Wageningen University, The Netherlands Born on 24.11.1991
citizen of Italy
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Bruno Studer, examiner Prof. Dr. Isabel Roldán-Ruiz, co-examiner
Lukas Wolters, co-examiner Nic Boerboom, co-examiner
2021
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Summary
In plants, reproductive strategies determine the degree of genetic variation of a species and influence the procedures to develop new cultivars. Self-compatibility (SC), defined as the ability for a plant to self-fertilize, is a reproductive trait evolved through the loss of ancestral self-incompatibility (SI) during the evolution of many plant species. Studying the molecular mechanisms underlying the transition from SI to SC and its consequences for plant adaptation and speciation has engaged the scientific community for decades. For some crops, SC is a tool to efficiently produce homozygous plant material by self-pollination, which breeders have used to generate parental lines for hybrid breeding schemes. This makes SC not only a trait of fundamental importance for plant biology but also of great agricultural interest to produce high yielding grass hybrids.
This thesis has investigated genetic causes of SC in perennial ryegrass (Lolium perenne L.), one of the world’s most important forage crops. Perennial ryegrass is characterized by a SI system that prevents inbreeding and makes it a strictly allogamous species. Naturally occurring sources of SC in perennial ryegrass have been documented, however their regulation is just starting to be understood at the genetic level. Moreover, a general utilization of SC for breeding is lacking. The goal of this thesis was to advance the current understanding of the genetic architecture of SC in perennial ryegrass by identifying genomic regions and molecular determinants responsible for SC. The research described in chapters 2-5 and here summarized, provide both biological as well as practical insights for the application of SC in forage grass breeding.
After a general introduction, chapter 2 reviews the state of the art about the SI system in grasses and describes in detail known causes of SC. Strategies for the discovery of novel SC sources are discussed, together with a review of the possibilities that SC presents for forage grass breeding. Specifically, the importance of using SC to purge deleterious alleles and to fix genetic variation in heterotic groups in order to implement hybrid breeding strategies is addressed. Moreover, the perspectives of using SC as a tool to develop immortalized mapping populations for the genetic dissection of agronomic traits are discussed.
Chapter 3 describes a fine mapping experiment aimed at narrowing down a genomic region harboring a SC causal gene in a perennial ryegrass population. Previous classical genetic studies on this population mapped a SC locus on linkage group (LG) 5. However,
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the region identified was still considerably large, making it difficult to suggest candidate genes. With a combination of quantitative trait locus (QTL) mapping and analysis of segregation distortion based on a genome-wide linkage map, we confirmed the presence of the QTL on LG 5. In addition, we further fine mapped the locus to a 0.26 cM region, considerably improving the mapping resolution achieved in previous studies. Lastly, projecting the interval onto a genome assembly, we identified potential candidate genes.
Chapter 4 reports the development and genetic characterization of a perennial ryegrass population segregating for SC. A segregating population was developed starting from germplasm provided by the seed company Deutsche Saatvederelung AG (DSV) and consisted of S1 and S2 lines originating from two founder self-compatible genotypes. To investigate structure and genetic diversity within the population, SNP markers were developed from a genotyping-by-sequencing (GBS) library. Combining 69,002 SNPs with SC phenotypic variation in a genome-wide association study, we identified SNPs with a significant association. Significant SNPs mapped on chromosome 2 and 7 and indicated the presence of three candidate QTL, revealing novel sources of SC and providing a fundamental resource for SC diagnostic markers in marker-assisted selection programs.
Lastly, a pilot study described in chapter 5 investigates the occurrence of a temperature- induced SC in perennial ryegrass, a phenomenon called pseudo-self-compatibility (PSC). A set of 16 self-incompatible genotypes selected from the DSV perennial ryegrass germplasm was incubated at 30 °C during flowering and pollen tube growth was assessed using in vitro self-pollinations. The PSC response was found to be highly genotype-dependent, revealing the presence of variation for this trait. This study paves the way to further genetic mapping studies aimed at determining the genetic control of PSC.
In conclusion, chapter 6 discusses the findings showed in the previous chapters in a broader context. Also, future perspectives are addressed, describing possible further experimental designs to complement the results presented in this thesis.
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Sommario
Il sistema riproduttivo delle piante ne determina il livello di variabilità genetica e influenza le procedure utilizzate per sviluppare nuove varietà. L’autocompatibilità (AC), definita come capacità di produrre semi tramite autoimpollinazione, è un meccanismo di riproduzione evoluto da sistemi ancestrali di autoincompatibilità (AI) durante il l’evoluzione di molte specie vegetali. La transizione da sistemi di riproduzione basati da AI ad AC nelle piante, e le conseguenze per processi di adattamento e speciazione, sono tra i fenomeni evolutivi più studiati dai biologi. Per le piante agrarie, l’AI è anche uno strumento per produrre genotipi omozigoti attraverso l’autoimpollinazione, che i selezionatori spesso utilizzano come linee parentali per sviluppare varietà ibride. Questo rende AC non solo un sistema di riproduzione di fondamentale importanza per la biologia vegetale, ma anche di grande valenza agronomica per produrre varietà ibride ad alta resa.
Questa tesi si propone di ottenere, attraverso analisi molecolari, informazioni sulle cause genetiche dell’AC nel loietto perenne (Lolium perenne L.), una tra le colture foraggere più diffuse ed economicamente importanti. Il loietto perenne è caratterizzato da un sistema di AI che non ne consente l’auto-impollinazione, rendendola una specie strettamente allogama.
Alcune mutazioni spontanee che rendono il loietto autocompatibile sono state documentate, ma non ancora geneticamente caratterizzate. Questo ne ha comportato un utilizzo ridotto per il miglioramento genetico e lo sviluppo di varietà. Lo scopo di questa tesi è di contribuire alla caratterizzazione genetica di AC nel loietto perenne, attraverso l’identificazione di regioni del genoma che contengano geni responsabili per l’AC. Gli studi descritti nei capitoli 2-5 e qui sintetizzati, forniscono dei risultati con una valenza biologica e pratica per l’utilizzo di AI per il miglioramento genetico del loietto.
Dopo un’introduzione generale nel capitolo 1, il capitolo 2 fornisce una revisione della letteratura scientifica sul sistema dell’AI nelle piante foraggere delle Poaceae e descrive in dettaglio le cause di AC finora riportate. Inoltre, sono discusse possibili strategie per la scoperta di nuovi geni responsabili di AC, insieme ad un approfondimento sulle possibilità del suo utilizzo per il miglioramento genetico. Nello specifico, il capitolo si concentra sull’
utilizzo dell’AC per liberare il genoma da alleli deleteri e costituire gruppi eterotici per implementare strategie di costituzione di varietà ibride. Infine, sono discusse le prospettive dell’utilizzo di AC come strumento per lo sviluppo di popolazioni segreganti ad alta
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omozigosi che faciliteranno la mappatura genetica di caratteristiche fenotipiche di rilevanza agronomica.
Il capitolo 3 descrive uno studio di mappatura genetica con lo scopo di ridurre la regione genomica nel quale, in precedenti studi, era stata riportata la presenza di un gene responsabile per l’AC in loietto perenne. Questi studi avevano assegnato il locus dell’AC al cromosoma 5, ma delimitato da marcatori troppo distanti da poter permettere l’individuazione di geni causali. Utilizzando una combinazione di mappatura genetica e analisi di segregazione distorta basati su una mappa cromosomica, la presenza del locus responsabile sul cromosoma 5 è stata confermata. Inoltre, una mappatura fine ha consentito la riduzione del locus a 0.26 centimorgan, aumetando considerevolmente la risoluzione raggiunta negli studi precendenti e permettendo l’identificazione di probabili geni causali.
Il capitolo 4 documenta lo sviluppo e la caratterizzazione di una popolazione di loietto perenne segregante per AC. La popolazione, sviluppata a partire dal germoplasma dell’azienda sementiera Deutsche Saatveredelung AG (DSV), consiste di linee S1 e S2
sviluppate a partire da due genotipi iniziali. Per studiarne la struttura genetica e la diversità, polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) sono stati identificati sequenziando librerie di DNA con la tecnica genotyping-by-sequencing (GBS). Associando SNP derivanti dal GBS con la variabilità fenotipica in uno studio di associazione genome-wide, abbiamo identificato SNP con un’associazione significativa con l’AC su cromosomi 2 e 7. Questi loci rivelano la presenza di nuovi geni responsabili per AC e forniscono una risorsa fondamentale per lo sviluppo di marcatori diagnostici per utilizzare AC in programmi di selezione molecolare nelle foraggere in generale.
Infine, il capitolo 5 descrive un esperimento pilota con lo scopo di investigare una forma di AC indotta ad alte temperature, un fenomeno chiamato pseudo-autocompatibilità (PAC).
Un totale di 16 genotipi selezionati dal germoplasma disponibile presso DSV, sono stati incubati a 30 °C durante la fioritura. Per osservarne la PAC, la crescita di tubi pollinici dopo l’autoimpollinazione è stata osservata dopo il periodo di incubazione con tecniche in vitro.
La risposta in termini di PAC è risultata altamente dipendente dal genotipo, rivelando la presenza di variabilità genetica. Questo studio rappresenta un primo passo verso studi di mappatura genetica con lo scopo di determinare l’architettura genetica della PAC nelle specie foraggere.
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Per concludere, i risultati riportati nei capitoli precedenti sono discussi nel capitolo 6 in un contesto generale, insieme ad una discussione su prospettive future per prossimi esperimenti per implementare i risultati riportati in questa tesi.
