Gene mining in doubled haploid lines from European maize landraces with association mapping

Since the introduction of maize into Europe, open-pollinated varieties of flint maize were cultivated across the continent. Natural selection promoted adaptation to the climatic conditions prevailing in the different regions. With the advent of hybrid breeding in Europe during the 1950s, some of the genes responsible for the specific adaptations of the landraces to abiotic and biotic stress were captured in the first developed inbred lines, but most of their genetic diversity is still untapped. Development of inbred lines out of this material by recurrent selfing is very tedious due to strong inbreeding depression. In contrast, the doubled-haploid (DH) technology allows producing fully homozygous lines out of landraces in only one step. This allows their precise characterization in replicated trials and identification of new genes by genome wide association (GWA) mapping. In this study we genotyped a set of 132 DH lines derived from European Flint landraces and 364 elite European flint (EU-F), European dent (EU-D) and North-American dent (NA-D) inbred lines with 56,110 single nucleotide polymorphism (SNP) markers. The lines were evaluated in field trials for morphologic and agronomic traits and GWA mapping was performed to identify underlying quantitative trait loci (QTL). In particular, our objectives were to (1) develop a robust method for quantifying early growth with a non-destructive remote-sensing platform, (2) evaluate the importance of early growth performance of inbred lines with regard to their testcross performance, (3) determine the potential of GWA mapping to identify genes underlying early growth and cold tolerance related traits, (4) evaluate the phenotypic and genotypic diversity recovered in the DH lines derived from the landraces, (5) estimate the effect of the DH method on the recovered genetic diversity, (6) identify new genes by GWA mapping in the DH lines derived from landraces, and (8) discuss the potential of DH lines derived from landraces to improve the genetic diversity and performance of elite maize germplasm. A phenotyping platform using spectral reflectance and light curtains was used to perform repeated measurements of biomass and estimate relative growth rates (RGR) of the DH and inbred lines, as well as of two testcrosses of 300 dent inbred lines. The DH lines derived from the landraces Schindelmeiser and Gelber Badischer had the highest RGR followed by EU-F lines, DH lines derived from Bugard, EU-D lines and, finally, NA-D lines. For inbred lines, whole plant dry matter yield (DMY) was positively correlated with RGR (r = 0.49), whereas this relation was weaker in the testcrosses (r = 0.29). RGR of the inbred lines correlated with RGR of their testcrosses (r = 0.42), but it had no influence on testcross DMY. A set of 375 EU-F, EU-D and NA-D lines were further evaluated in growth chambers under chilling (16/13°C) and optimal (27/25°C) temperatures. Photosynthetic and early growth performance were estimated for each treatment and an adaptation index (AI) built as the chilling to optimal performance ratio. Nineteen QTL were identified by GWA mapping for trait performance and AI. Candidate genes involved in ethylene signaling, brassinolide, and lignin biosynthesis were found in their vicinity. Several QTL for photosynthetic performance co-located with previously reported QTL and the QTL identified for shoot dry wieght under optimal conditions co-located with a QTL for RGR. Comparison of the DH lines derived from landraces with the EU-F lines showed that genotypic variances in single DH populations were greater than in the EU-F breeding population. A high average genetic distance among the DH lines derived from the same landrace as well as a rapid decay of linkage disequilibrium suggests a high effective population size of the landraces. Because no systematic phenotypic differences were observed between the landraces and synthetic landraces obtained by intermating the corresponding DH lines, the expected purge of lethal recessive alleles during the DH production did neither improve grain yield performance nor affect the recovered genetic diversity. Performing GWA in the DH lines derived from landraces as well as the EU-F, and EU-D lines allowed the identification of 49 QTL for 27 traits. A larger set of DH lines derived from more landraces might solve problems arising from population structure and allow a much higher power for the detection of new alleles. In conclusion, the introgression of DH lines derived from landraces into the elite breeding material would strongly broaden its genetic base. However, grain yield performance was 22% higher in EU-F lines than in the DH lines derived from landraces. Selection of the best DH lines would allow partially bridging this yield gap and marker-assisted selection may allow introgression of positive QTL without introducing negative features by linkage drag.Seit der Einfuhr von Mais aus der neuen Welt nach Europa, wurden offen abblühende Flint-Mais Populationen auf dem gesamten Kontinent angebaut. Durch natürliche Selektion passten sich diese Landsorten an die Klimate des Kontinents an. In den Anfängen der Hybridzüchtung wurden Gene und Allele, die für diese spezifische Anpassung an biotische und abiotische Stressfaktoren verantwortlich sind, in den ersten Inzuchtlinien nur teilweise fixiert. Der Grossteil der genetischen Vielfalt der Landsorten blieb jedoch ungenutzt, da die Entwicklung von Inzuchtlinien aus diesem Material wegen besonders starker Inzuchtdepression sehr mühsam ist. Demgegenüber erlaubt es die seit etwa 10 Jahre eingesetzte Methode der Erzeugung von Doppel-Haploiden (DH), vollständig homozygote Linien aus Landsorten in einem einzigen Schritt zu entwickeln. Diese DH-Linien können in wiederholten Feldversuchen sehr präzise evaluiert werden. Dies vereinfacht die Kartierung von Genen mithilfe der Genom-weiten Assoziations-Kartierung (GWA) enorm. In der vorliegenden Studie wurden 132 DH-Linien aus europäischen Landsorten, 364 Inzucht-linien aus Nordamerikanischem Dent (NA-D), europäischem Flint (EU-F) und europäischem Dent (EU-D) Zuchtmaterial mit 56110 genetischen Markern genotypisiert. Agronomische Eigenschaften der DH-Linien und Elite-Inzuchtlinien wurden in Feldversuchen evaluiert und mittels GWA kartiert, um vorteilhafte Gene zu identifizieren. Zu unseren Zielen gehörten insbesondere (1) die Entwicklung einer robusten, nicht-destruktiven Methode zur Erfassung der Jugendentwicklung mittels Sensoren, (2) die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Jugendentwicklung der Linien per se und deren Testkreuzungen, (3) die Erforschung von GWA zur Identifikation von Kühletoleranz- und Jugendentwicklungs-Genen in Elite-Inzuchtlinien, (4) die Evaluierung der aus den Landsorten mittels der DH-Methode geborgene phänotypische und genetische Vielfalt, (5) die Abschätzung eines möglichen Einfluss der DH-Methode auf der genetischen Vielfalt der DH-Linien, (6) die Entdeckung neuer Gene in den DH-Linien aus Landsorten mittels GWA, und (7) die Ermittlung des Potentials von DH-Linien aus Landsorten, um die Leistung und genetische Diversität des modernen Zuchtmaterials zu verbessern. Die Biomasse und relative Wachstumsrate (RGR) der DH-Linien und Elite-Inzuchtlinien sowie je zwei Testkreuzungen von 300 Dent Inzuchtlinien wurden mit Lichtschranken und spektraler Reflektion geschätzt. Die DH-Linien aus den Landsorten Schindelmeiser und Gelber Badischer wiesen die höchste RGR auf, gefolgt von EU-F Linien, DH-Linien aus Bugard, EU-D Linien und zuletzt NA-D Linien. Die Gesamttrockenmasse der Linien war mit deren RGR positiv korreliert (r = 0.49), während diese Korrelationen für die Testkreuzungen schwächer ausfiel (r = 0.29). Die RGR der Linien korrelierte mit der RGR der Testkreuzungen (r = 0.42), hatte jedoch keinen Einfluss auf deren Gesamttrockenmasse. Ein Satz von 375 EU-F, EU-D und NA-D Linien wurde unter kühlen (16/13°C) und optimalen (27/25°C) Temperaturen in Klimakammern untersucht. Die photosynthetische Leistung und die Jugendentwicklung wurden für jedes Verfahren gemessen. Aus dem Verhältnis der Leistungen unter kühlen und optimalen Bedingungen wurde ein Adaptations-Index (AI) berechnet. Neunzehn Genorte (QTL) wurden für verschiedene Merkmale und deren AI mittels GWA identifiziert. Gene mit Beteiligung in der Äthylen-Signalkette, Brassinolid- und Lignin-Biosynthese wurden als Kandidaten identifiziert. Mehrere QTL für photosynthetische Leistung co-lokalisierten mit bereits beschriebenen QTL. Der Vergleich der genetischen Varianzen zeigte, dass diese innerhalb der einzelnen Landsorten grösser ist als innerhalb des EU-F Zuchtmaterials. Sowohl die hohe mittlere genetische Distanz zwischen den DH-Linien einer Landsorte, als auch das rasch abfallende Kopplungs-ungleichgewicht innerhalb der Landsorten deuten auf eine grosse Effektive Populationsgrösse hin. Die erwartete Eliminierung von rezessiven letalen Allelen durch die DH-Methode konnte den Ertrag synthetischer Landsorten nicht erhöhen und hatte auch keinen grossen Einfluss auf die genetische Diversität. Mittels GWA Analyse in den DH-Linien aus Landsorten und in Elite-Inzuchtlinien konnten 49 QTL für 27 Merkmale kartiert werden. Eine grössere Anzahl von DH-Linien aus Landsorten würde es erlauben, die durch Populationsstruktur verursachten Artefakte zu beseitigen und somit die Wahrscheinlichkeit, neue Allele zu entdecken, stark erhöhen. Zusammengefasst kann die genetische Diversität des Zuchtmaterials durch die Einkreuzung von DH-Linien aus Landsorten stark erhöht werden. Der grosse Abstand zwischen der Leistung des Zuchtmaterials und den DH-Linien aus Landsorten (22%) kann durch Selektion der besten DH-Linien teilweise ausgeglichen werden. Marker-gestützte Selektion könnte das Einkreuzen von positiven QTL ohne Introgression von unerwünschten negativen Eigenschaften erleichtern

Shovelomics root traits assessed on the EURoot maize panel are highly heritable across environments but show low genotype-by-nitrogen interaction

Abstract The need for sustainable intensification of agriculture in the coming decades requires a reduction in nitrogen (N) fertilization. One opportunity to reduce N application rates without major losses in yield is breeding for nutrient efficient crops. A key parameter that influences nutrient uptake efficiency is the root system architecture (RSA). To explore the impact of N availability on RSA and to investigate the impact of the growth environment, a diverse set of 36 inbred dent maize lines crossed to the inbred flint line UH007 as a tester was evaluated for N-response over 2 years on three different sites. RSA was investigated by excavating and imaging of the root crowns followed by image analysis with REST software. Despite strong site and year effects, trait heritability was generally high. Root traits showing the greatest heritability (> 0.7) were the width of the root stock, indicative of the horizontal expansion, and the fill factor, a measure of the density of the root system. Heritabilities were in a similar range under high or low N application. Under N deficiency the root stock size decreased, the horizontal expansion decreased and the root stock became less dense. However, there was little differential response of the genotypes to low N availability. Thus, the assessed root traits were more constitutively expressed rather than showing genotype-specific plasticity to low N. In contrast, strong differences were observed for 'stay green' and silage yield, indicating that these highly heritable traits are good indicators for responsiveness to low N

Emerging Avenues for Utilization of Exotic Germplasm

Breeders have been successful in increasing crop performance by exploiting genetic diversity over time. However, the reported annual yield increases are not sufficient in view of rapid human population growth and global environmental changes. Exotic germplasm possesses high levels of genetic diversity for valuable traits. However, only a small fraction of naturally occurring genetic diversity is utilized. Moreover, the yield gap between elite and exotic germplasm widens, which increases the effort needed to use exotic germplasm and to identify beneficial alleles and for their introgression. The advent of high-throughput genotyping and phenotyping technologies together with emerging biotechnologies provide new opportunities to explore exotic genetic variation. This review will summarize potential challenges for utilization of exotic germplasm and provide solutions

Genetic and phenotypic evaluation of european maize landraces as a tool for conservation and valorization of agrobiodiversity

The ECPGR European Evaluation Network (EVA) for Maize involves genebanks, research institutions, and private breeding companies from nine countries focusing on the valorization of maize genetic resources across Europe. This study describes a diverse collection of 626 local landraces and traditional varieties of maize (Zea mays L.) from nine European genebanks, including criteria for selection of the collection and its genetic and phenotypic diversity. High-throughput pool genotyping grouped the landraces into nine genetic groups with a threshold of 0.6 admixture, while 277 accessions were designated admixed and likely to have resulted from previous breeding activities. The grouping correlated well with the geographic origins of the collection, also reflecting the various pathways of introduction of maize to Europe. Phenotypic evaluations of 588 accessions for flowering time and plant architecture in multilocation trials over three years confirmed the great diversity within the collection, although phenotypic clusters only partially correlated with the genetic grouping. The EVA approach promotes conservation of genetic resources and opens an opportunity to increase genetic variability for developing improved varieties and populations for farmers, with better adaptation to specific environments and greater tolerance to various stresses. As such, the EVA maize collection provides valuable sources of diversity for facing climate change due to the varieties’ local adaptation

Initiating maize pre-breeding programs using genomic selection to harness polygenic variation from landrace populations

BACKGROUND: The limited genetic diversity of elite maize germplasms raises concerns about the potential to breed for new challenges. Initiatives have been formed over the years to identify and utilize useful diversity from landraces to overcome this issue. The aim of this study was to evaluate the proposed designs to initiate a pre-breeding program within the Seeds of Discovery (SeeD) initiative with emphasis on harnessing polygenic variation from landraces using genomic selection. We evaluated these designs with stochastic simulation to provide decision support about the effect of several design factors on the quality of resulting (pre-bridging) germplasm. The evaluated design factors were: i) the approach to initiate a pre-breeding program from the selected landraces, doubled haploids of the selected landraces, or testcrosses of the elite hybrid and selected landraces, ii) the genetic parameters of landraces and phenotypes, and iii) logistical factors related to the size and management of a pre-breeding program. RESULTS: The results suggest a pre-breeding program should be initiated directly from landraces. Initiating from testcrosses leads to a rapid reconstruction of the elite donor genome during further improvement of the pre-bridging germplasm. The analysis of accuracy of genomic predictions across the various design factors indicate the power of genomic selection for pre-breeding programs with large genetic diversity and constrained resources for data recording. The joint effect of design factors was summarized with decision trees with easy to follow guidelines to optimize pre-breeding efforts of SeeD and similar initiatives. CONCLUSIONS: Results of this study provide guidelines for SeeD and similar initiatives on how to initiate pre-breeding programs that aim to harness polygenic variation from landraces. ELECTRONIC SUPPLEMENTARY MATERIAL: The online version of this article (doi:10.1186/s12864-015-2345-z) contains supplementary material, which is available to authorized users

Gene-Mining in Doppelhaploidpopulationen europäischer Maislandsorten mittels Assoziationskartierung

Since the introduction of maize into Europe, open-pollinated varieties of flint maize were cultivated across the continent. Natural selection promoted adaptation to the climatic conditions prevailing in the different regions. With the advent of hybrid breeding in Europe during the 1950’s, some of the genes responsible for the specific adaptations of the landraces to abiotic and biotic stress were captured in the first developed inbred lines, but most of their genetic diversity is still untapped. Development of inbred lines out of this material by recurrent selfing is very tedious due to strong inbreeding depression. In contrast, the doubled-haploid (DH) technology allows producing fully homozygous lines out of landraces in only one step. This allows their precise characterization in replicated trials and identification of new genes by genome wide association (GWA) mapping. In this study we genotyped a set of 132 DH lines derived from European Flint landraces and 364 elite European flint (EU-F), European dent (EU-D) and North-American dent (NA-D) inbred lines with 56,110 single nucleotide polymorphism (SNP) markers. The lines were evaluated in field trials for morphologic and agronomic traits and GWA mapping was performed to identify underlying quantitative trait loci (QTL). In particular, our objectives were to (1) develop a robust method for quantifying early growth with a non-destructive remote-sensing platform, (2) evaluate the importance of early growth performance of inbred lines with regard to their testcross performance, (3) determine the potential of GWA mapping to identify genes underlying early growth and cold tolerance related traits, (4) evaluate the phenotypic and genotypic diversity recovered in the DH lines derived from the landraces, (5) estimate the effect of the DH method on the recovered genetic diversity, (6) identify new genes by GWA mapping in the DH lines derived from landraces, and (8) discuss the potential of DH lines derived from landraces to improve the genetic diversity and performance of elite maize germplasm. A phenotyping platform using spectral reflectance and light curtains was used to perform repeated measurements of biomass and estimate relative growth rates (RGR) of the DH and inbred lines, as well as of two testcrosses of 300 dent inbred lines. The DH lines derived from the landraces Schindelmeiser and Gelber Badischer had the highest RGR followed by EU-F lines, DH lines derived from Bugard, EU-D lines and, finally, NA-D lines. For inbred lines, whole plant dry matter yield (DMY) was positively correlated with RGR (r = 0.49), whereas this relation was weaker in the testcrosses (r = 0.29). RGR of the inbred lines correlated with RGR of their testcrosses (r = 0.42), but it had no influence on testcross DMY. A set of 375 EU-F, EU-D and NA-D lines were further evaluated in growth chambers under chilling (16/13°C) and optimal (27/25°C) temperatures. Photosynthetic and early growth performance were estimated for each treatment and an adaptation index (AI) built as the chilling to optimal performance ratio. Nineteen QTL were identified by GWA mapping for trait performance and AI. Candidate genes involved in ethylene signaling, brassinolide, and lignin biosynthesis were found in their vicinity. Several QTL for photosynthetic performance co-located with previously reported QTL and the QTL identified for shoot dry wieght under optimal conditions co-located with a QTL for RGR. Comparison of the DH lines derived from landraces with the EU-F lines showed that genotypic variances in single DH populations were greater than in the EU-F breeding population. A high average genetic distance among the DH lines derived from the same landrace as well as a rapid decay of linkage disequilibrium suggests a high effective population size of the landraces. Because no systematic phenotypic differences were observed between the landraces and synthetic landraces obtained by intermating the corresponding DH lines, the expected purge of lethal recessive alleles during the DH production did neither improve grain yield performance nor affect the recovered genetic diversity. Performing GWA in the DH lines derived from landraces as well as the EU-F, and EU-D lines allowed the identification of 49 QTL for 27 traits. A larger set of DH lines derived from more landraces might solve problems arising from population structure and allow a much higher power for the detection of new alleles. In conclusion, the introgression of DH lines derived from landraces into the elite breeding material would strongly broaden its genetic base. However, grain yield performance was 22% higher in EU-F lines than in the DH lines derived from landraces. Selection of the best DH lines would allow partially bridging this yield gap and marker-assisted selection may allow introgression of positive QTL without introducing negative features by linkage drag.Seit der Einfuhr von Mais aus der „neuen“ Welt nach Europa, wurden offen abblühende Flint-Mais Populationen auf dem gesamten Kontinent angebaut. Durch natürliche Selektion passten sich diese Landsorten an die Klimate des Kontinents an. In den Anfängen der Hybridzüchtung wurden Gene und Allele, die für diese spezifische Anpassung an biotische und abiotische Stressfaktoren verantwortlich sind, in den ersten Inzuchtlinien nur teilweise fixiert. Der Grossteil der genetischen Vielfalt der Landsorten blieb jedoch ungenutzt, da die Entwicklung von Inzuchtlinien aus diesem Material wegen besonders starker Inzuchtdepression sehr mühsam ist. Demgegenüber erlaubt es die seit etwa 10 Jahre eingesetzte Methode der Erzeugung von Doppel-Haploiden (DH), vollständig homozygote Linien aus Landsorten in einem einzigen Schritt zu entwickeln. Diese DH-Linien können in wiederholten Feldversuchen sehr präzise evaluiert werden. Dies vereinfacht die Kartierung von Genen mithilfe der Genom-weiten Assoziations-Kartierung (GWA) enorm. In der vorliegenden Studie wurden 132 DH-Linien aus europäischen Landsorten, 364 Inzucht-linien aus Nordamerikanischem Dent (NA-D), europäischem Flint (EU-F) und europäischem Dent (EU-D) Zuchtmaterial mit 56110 genetischen Markern genotypisiert. Agronomische Eigenschaften der DH-Linien und Elite-Inzuchtlinien wurden in Feldversuchen evaluiert und mittels GWA kartiert, um vorteilhafte Gene zu identifizieren. Zu unseren Zielen gehörten insbesondere (1) die Entwicklung einer robusten, nicht-destruktiven Methode zur Erfassung der Jugendentwicklung mittels Sensoren, (2) die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Jugendentwicklung der Linien per se und deren Testkreuzungen, (3) die Erforschung von GWA zur Identifikation von Kühletoleranz- und Jugendentwicklungs-Genen in Elite-Inzuchtlinien, (4) die Evaluierung der aus den Landsorten mittels der DH-Methode geborgene phänotypische und genetische Vielfalt, (5) die Abschätzung eines möglichen Einfluss der DH-Methode auf der genetischen Vielfalt der DH-Linien, (6) die Entdeckung neuer Gene in den DH-Linien aus Landsorten mittels GWA, und (7) die Ermittlung des Potentials von DH-Linien aus Landsorten, um die Leistung und genetische Diversität des modernen Zuchtmaterials zu verbessern. Die Biomasse und relative Wachstumsrate (RGR) der DH-Linien und Elite-Inzuchtlinien sowie je zwei Testkreuzungen von 300 Dent Inzuchtlinien wurden mit Lichtschranken und spektraler Reflektion geschätzt. Die DH-Linien aus den Landsorten Schindelmeiser und Gelber Badischer wiesen die höchste RGR auf, gefolgt von EU-F Linien, DH-Linien aus Bugard, EU-D Linien und zuletzt NA-D Linien. Die Gesamttrockenmasse der Linien war mit deren RGR positiv korreliert (r = 0.49), während diese Korrelationen für die Testkreuzungen schwächer ausfiel (r = 0.29). Die RGR der Linien korrelierte mit der RGR der Testkreuzungen (r = 0.42), hatte jedoch keinen Einfluss auf deren Gesamttrockenmasse. Ein Satz von 375 EU-F, EU-D und NA-D Linien wurde unter kühlen (16/13°C) und optimalen (27/25°C) Temperaturen in Klimakammern untersucht. Die photosynthetische Leistung und die Jugendentwicklung wurden für jedes Verfahren gemessen. Aus dem Verhältnis der Leistungen unter kühlen und optimalen Bedingungen wurde ein Adaptations-Index (AI) berechnet. Neunzehn Genorte (QTL) wurden für verschiedene Merkmale und deren AI mittels GWA identifiziert. Gene mit Beteiligung in der Äthylen-Signalkette, Brassinolid- und Lignin-Biosynthese wurden als Kandidaten identifiziert. Mehrere QTL für photosynthetische Leistung co-lokalisierten mit bereits beschriebenen QTL. Der Vergleich der genetischen Varianzen zeigte, dass diese innerhalb der einzelnen Landsorten grösser ist als innerhalb des EU-F Zuchtmaterials. Sowohl die hohe mittlere genetische Distanz zwischen den DH-Linien einer Landsorte, als auch das rasch abfallende Kopplungs-ungleichgewicht innerhalb der Landsorten deuten auf eine grosse Effektive Populationsgrösse hin. Die erwartete Eliminierung von rezessiven letalen Allelen durch die DH-Methode konnte den Ertrag synthetischer Landsorten nicht erhöhen und hatte auch keinen grossen Einfluss auf die genetische Diversität. Mittels GWA Analyse in den DH-Linien aus Landsorten und in Elite-Inzuchtlinien konnten 49 QTL für 27 Merkmale kartiert werden. Eine grössere Anzahl von DH-Linien aus Landsorten würde es erlauben, die durch Populationsstruktur verursachten Artefakte zu beseitigen und somit die Wahrscheinlichkeit, neue Allele zu entdecken, stark erhöhen. Zusammengefasst kann die genetische Diversität des Zuchtmaterials durch die Einkreuzung von DH-Linien aus Landsorten stark erhöht werden. Der grosse Abstand zwischen der Leistung des Zuchtmaterials und den DH-Linien aus Landsorten (22%) kann durch Selektion der besten DH-Linien teilweise ausgeglichen werden. Marker-gestützte Selektion könnte das Einkreuzen von positiven QTL ohne Introgression von unerwünschten negativen Eigenschaften erleichtern