 |
Identification of leaf rust resistance- and nutritional quality-related genomic regions in a wild goatgrass species (Aegilops biuncialis) and their use in wheat prebreeding
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116277 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Molnár, István |
| Title in Hungarian |
Levélrozsda rezisztenciát és minőségi paramétereket befolyásoló genomi régiók azonosítása egy vad kecskebúza fajban (Aegilops biuncialis) és felhasználásuk a búza előnemesítésében |
| Title in English |
Identification of leaf rust resistance- and nutritional quality-related genomic regions in a wild goatgrass species (Aegilops biuncialis) and their use in wheat prebreeding |
| Keywords in Hungarian |
Aegilops biuncialis, levél rozsda, étkezési rost, genetikai térkép, chromoszóma-alapú genomika, molekuláris markerek, interspecifikus hibridizáció |
| Keywords in English |
Aegilops biuncialis, leaf rust, edible fiber, genetic map, chromosome-based genomics, molecular markers, interspecific hybridization |
| Discipline |
| Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Agricultural Institute (Centre for Agricultural Research) |
| Participants |
Farkas, András
Lángné dr. Molnár, Márta
Makai, Szabolcs
Megyeri, Mária
Rakszegi, Marianna
Szőkéné Pázsi, Kitti
Vágány, Viktória
Vida, Gyula
|
| Starting date |
2015-10-01 |
| Closing date |
2020-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
37.574 |
| FTE (full time equivalent) |
15.13 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A jó minőségű, stressz toleráns búza fajták előfeltételei az elegendő mennyiségű élelmiszer költség hatékony, fenntartható és környezetkímélő előállításának. Az U és M genommal rendelkező Aegilops fajok a levél rozsda rezisztenciáért és étkezési rost tartalomért felelős gének gazdag forrásai. Bár az elmúlt évtizedben számos búza-Ae. biuncialis addíciós vonalat (1Ub, 2Ub, 3Ub, 1Ub/6Ub, 2Mb, 3Mb, 7Mb) állítottak elő Martonvásáron, a búzába átvitt Aegilops kromoszómák alul reprezentáltak.
A pályázat céljai: hogy (1) azonosítsunk a levél rozsda rezisztenciáért és étkezési rost tartalomért felelős QTL régiókat egy diverz és korábban már DArTseq technika segítségével genotipizált Ae. biuncialis populáción végzett asszociációs térképezés segítségével és (2) a kapcsolt markerek genomi pozícióját határozzuk meg a projekt által előállított marker-denz kétszülős Ae. biuncialis genetikai térképen. További célunk, hogy (3) az egyedi U kromoszómák survey szekvenciáinak felhasználásával készítsük el az U genom teljes kromoszóma szerelvényének nagyfelbontású génsorrendjét, melyet felhasználunk (4) további, a QTL régiókban lokalizált génspecifikus markerek tervezéséhez. Különösen fontosnak tartjuk (5) a kecskebúza (tulajdonságokhoz kötött) szekvenciáinak átvitelét elősegító MAS rendszer létrehozását és (6) ennek segítségével új búza-Aegilops introgressziós vonalak létrehozását.
A project célja, hogy a nemesítők számára felhasználhatóvá tegye az Aegilops fajok vad alléljeit, és módot adjon további összehasonlító- és funkcionális genomikai vizsgálatokra összefüggésben a Triticeae/Aegilops fajok evolúciójával.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A búza számára az U és M genommal rendelkező Aegilops fajok az agronómiai tulajdonságok, pl. levél rozsda rezisztencia és étkezési rost tartalom, gazdag forrásait jelentik.
A pályázat alapkérdési, hogy (1) mely genomi régiók határozzák meg a levél rozsda rezisztenciát és étkezési rost tartalmat az Ae. biuncialis-ban, (2) a már ismert búza génekhez képest ezek a vad gének illetve allélek ugyanazok-e, vagy különbözőek és (3) hogyan lehetne ezeket a régiókat költséghatékony módon beépíteni a búzába.
Annak érdekében, hogy ezekre a kérdésekre választ adjunk, a projekt integráltan fog szisztematikus strukturális- (marker-gazdag Ae. biuncialis genetikai térkép elkészítése, izolált kromoszómák szekvenálása, az Aegilops kromoszómák nagy információ tartalmú génsorrendjének előállítása) és funkcionális-genomikai (asszocióciós térképezés egy diverz Ae. biuncialis populáción, a QTL-ek pozíciójának meghatározása a genetikai térképen, további QTL-specifikus markerek előállítása) módszereket alkalmazni az előnemesítési programokba ágyazva (az Aegilops kromoszómák és QTL-ek nyomonkövetésére alkalmas MAS rendszer létrehozása és felhasználása búza-Aegilops introgressziós vonalak előállítására).
A project várható eredményei (introgressziós vonalak, genetikai térkép, gén-alapú markerek) elősegítik a levél rozsda rezisztencia és étkezési rost tartalom javítását célzó nemesítést. Szintén stimulálni fogják a fontos Aegilops agronómiai tulajdonságok (mikroelem tartalom, abiotikus stressz tolerancia, virágzási idő) QTL térképezését. Végül, elősegítik az Aegilops gének pozícionális klónozását valamint a búza és Aegilops fajok evolúciójának vizsgálatát.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az Aegilops nemzetség fajai, melyek a Triticum-hoz legközelebb álló taxonok, a búza egyik legfontosabb génforrásai. E fajok az agronómiai tulajdonságok, pl. levél rozsda rezisztencia és étkezési rost tartalom, abiotikus stressz tolerancia, adaptációs képesség, gazdag forrásait jelentik. Az előnemesítési anyagok előállításával, a project közvetlenül segíteni a levél rozsda elleni védekezést és a szemtermés étkezési rost tartalmának javítását célzó nemesítést, de további tulajdonságok átvitele is feltételezhető.
Tekintve, hogy az Aegilops nemzetség 23 fajából 12 rendelkezik U és/vagy M genommal, a projekt által létrehozott genomikai eredmények (kétszülős genetikai térkép, gén-alapú markerek, az Aegilops kromoszómák nagyfelbontású gén összetétele és génsorrendje) segíteni fogják a többi U- és M-genommal rendelkező Aegilops faj előnemesítésben történő alkalmazását is.
Az Aegilops populáción végzett asszociációs térképezés mellett, az F2 kétszülős térképezési populáció későbbi nemzedékei szintén alkalmasak QTL térképezésre. A fő QTL-ek azonosítása rendkívül fontos, mivel a szorosan kapcsolt markerek (funkcionális markerek) felhasználhatóak a kívánt tulajdonságok célzott átvitelére marker kapcsolt szelekció segítségével. A genomikai eredmények és az előállított introgressziós vonalak segíteni fogják a kulcs-gének fizikai térképezését és térkép alapú klónozását.
A project elősegíti az agronómiailag fontos gének (kulcsgének melyek meghatározzák a termés elemeket, a minőséget, az adaptációs képességet [Rht, Ppd, Vrn] és a biotikus és abiotikus stresszekre adott válaszokat ) Aegilops alléljeivel rendelkező új búzafajták létrehozását. Ezzel eszközöket adnak a globális klímaváltozás során megváltozó agro-ökoszisztémákhoz való alkalmazkodáshoz.
Az eredmények elősegítik a környezetbarát élelmiszertermelést a rezisztencia gének felhasználásával, melyek csökkentik a kemikáliák (fungicidek) alkalmazását, támogatva az egészséges élelmiszerek előállítását és a (mezőgazdasági) környezet védelmét.
A levélrozsda rezisztens búza fajták alkalmazásával csökkenthetőek a növényvédelmi költségek is. Mivel a levélrozsda nem okoz terméscsökkenést a rezisztens fajtákon a gazdasági haszon még magasabb lehet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A jó minőségű, betegség ellenálló búza fajták előfeltételei az elegendő mennyiségű élelmiszer költséghatékony, fenntartható és környezetkímélő előállításának. A levél rozsda az egyik leggyakoribb betegség, mely a búzatermésnek mind a mennyiségét, mind a minőségét csökkenti. Az egészség szempontjából előnyös étkezési rost tartalom hozzájárul a gabona szemtermés minőségéhez. Mivel a búza központi szerepet játszik az emberi táplálkozásban, alacsony β-glucan és arabinoxylan tartalmának (fő komponensei az étkezési rostnak) növelése igen kívánatos lenne.
A kecskebúza (Aegilops) fajok a búza közeli rokonai és számos hasznos agronómiai tulajdonsággal rendelkeznek, melyek fajkeresztezéssel átvihetők a búzába.
A project célja, hogy javítsa a betegség ellenállóságot és minőséget azáltal, hogy kromoszómákat és kromoszóma szegmentumkat visz át az Aegilops fajokból a búzába.
Az Aegilops kromoszóma szegmentumok átvitele a búzába elősegíthető az U és M Aegilops genomok szerkezetének részletes ismerete révén. Előzőleg az összes U kromoszómát izolálták, szekvenálták és meghatározták azok génjeit. A project további célja, hogy nagyszámú gén-alapú molekuláris markert (a gének kisebb DNS szakasza) állítson elő és határozza meg ezen markerek (vagyis a gének) sorrendjét a kromoszómákon egy újonnan előállított Aegilops genetikai térkép segítségével.
AZ eredmények (búza-Aegilops introgressziós vonalak) elősegítik a jó minőségű és betegség ellenálló búza fajták nemesítését. A szerkezeti genomikai ismeretek megnyitják az utat a hasznos Aegilops tulajdonságokat meghatározó gének azonosítása felé.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Stress tolerant wheat cultivars with good nutritional quality are prerequisite to produce enough food by sustainable and cost effective means with reduced pesticide load of the environment. The U and M genome Aegilops species represent a rich source of genes for leaf rust resistance and grain dietary fibre content. In the last decade, several wheat-Ae. biuncialis addition lines (1Ub, 2Ub, 3Ub, 1Ub/6Ub, 2Mb, 3Mb, 7Mb) were produced in Martonvásár, but the Aegilops chromosomes introgressed into wheat remains under-represented.
The aim of the project are: (1) to identify QTL regions responsible for leaf rust resistance and edible fiber content by association mapping on a diverse collection of Ae. biuncialis accessions which is DArTseq genotyped earlier. (2) To determine the genomic position of the tightly linked markers on a marker-dense genetic map of Ae. biuncialis that will developed by the project. Further aims are (3) to produce virtual gene order for the U-genome chromosomes using the survey sequences of the whole set of individual flow-sorted chromosomes and its use (4) to produce gene-specific markers for the targeted QTL regions. Particularly important goals are (5) to develop a MAS system to support the transfer of the (trait-specific) goatgrass sequences and (6) to produce new wheat-Aegilops introgression lines.
The project will provide access to wild alleles from Aegilops for wheat breeders and will support further comparative- and functional genomic studies related to the evolution of Triticeae/Aegilops taxa.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The U- and M-genome Aegilops species represent a rich source of agronomically important traits including leaf rust resistance and grain dietary fibre content for wheat.
The basic questions of the project are (1) which genomic regions determine the leaf rust resistance and edible fiber (-glucan and arabynoxylane) content in Ae. biuncialis, (2) these wild genes or alleles are the same as those already known in wheat or different and (3) how it is possible to transfer these regions into wheat by a cost effective manner.
To answer these questions the project will integrate a detailed structural- (production of marker dense genetic map for Ae. biuncialis, survey sequencing of isolated chromosomes, high information content virtual gene order of Aegilops chromosomes) and functional-genomic (association mapping of these traits on a diverse population of Ae. biuncialis, location the QTLs on the genetic map and produce further markers to the QTL regions) methods into the prebreeding programmes (design a MAS system to follow the Aegilops chromosomes and identified QTLs to support the production of wheat-Ae. biuncialis introgression lines).
The expected results of the project (introgression lines, genetic map, gene-based markers) will support breeding for resistance to leaf rust and for edible fiber content. It will also stimulate further research, such as QTL mapping of other important Aegilops traits like micronutrient content, abiotic (drought, heat and salt) stress tolerance and heading date. Finally, it will promote map based cloning of Aegilops genes and investigation of wheat-Aegilops evolutionary relationships.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The species in the genus Aegilops, the most closely related taxon to Triticum, are one of the most important genesources for wheat. These species represent a rich source of agronomically important traits including leaf rust resistance, grain dietary fibre content, abiotic stress tolerance and adaptability.
The project will directly support the wheat breeding for protection against leaf rust and for increasing edible fiber content by providing prebreeding material, but the transfer of other traits will also be probable .
As 12 out of the 23 species in the genus Aegilops contain U and/or M genomes, the advanced genomic resources (biparental genetic map, gene-based markers, high resolution gene content and gene order for the Aegilops chromosomes) produced by the project will promote the introgression breeding from other U- or M-genome Aegilops species as well.
Beside the association mapping on the Ae. biuncialis collection, the later progenies of the F2 biparental mapping population can be used also for QTL mapping. The identification of main QTLs are highly important, as tightly linked genetic markers (i.e. functional markers) can be used for the targeted introgression of desirable traits by marker assisted selection. The genomic resources together with the new wheat-Aegilops introgression lines will also promote the physical mapping and map based cloning of important genes.
The proposed project will promote new wheat cultivars with wild Aegilops alleles of agronomically important genes (key-genes determining yield components, grain quality, adaptability [e.g. Rht, Ppd, Vrn] and responses to biotic and abiotic stresses) and will provide suitable tools to adapt the agro-ecosystems changed by the global climate change.
The results will promote the environment friendly food production by the use of resistance genes, which decrease the use of chemicals (fungicides). Thereby it will promote the production of healthy foods and the protection of (agricultural) environment.
The use of leaf rust resistant wheat cultivars directly decreases the cost of plant protection by chemicals. As the leaf rust pathogens will not cause yield loss in case of resistant cultivars, the economic benefits will be even higher.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
A development of disease resistant wheat cultivars with good nutritional quality is a prerequisite to produce enough food by sustainable and cost effective means with reduced pesticide load of the environment. Leaf rust is one of the most important diseases, which reduces the quality and productivity of wheat. Dietary fiber content contributes to the quality of cereal grain as it is highly beneficial to human health. As wheat have a central role in the human diet, the increasing its low level β-glucan and arabinoxylan (major components of dietary fibers) content would be highly desirable.
Goatgrass (Aegilops) species are close relatives of wheat and have numerous useful agronomic traits which can be transfer into wheat by interspecific hybridisation.
The aim of the project is to improve disease resistance and quality by the transfer of chromosomes and chromosome segments from Aegilops species into wheat.
The transfer of Aegilops chromosome segments into wheat would be facilitated by detailed knowledge on the structure of the Aegilops genomes U and M. Previously, all of the U chromosomes were isolated, sequenced and determined their gene content. A further aim of this project is to produce
huge number of gene-based molecular markers (a small DNA section of genes) and order these markers (i.e. genes) along the chromosomes using a newly designed Aegilops genetic map.
The results (wheat-Aegilops introgression lines) will promote the breeding of disease resistant wheat cultivars with good nutritional quality. The structural genomic knowledge will open the way for the identification of genomic regions (genes) responsible for useful traits of Aegilops.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| I Molnar, J Jurecka, M Said, A Farkas, L Ivanizs, E Hribova, J Dolezel: Chromosome genomics of U- and M-genome species facilitate the production of cytogenetic markers to support gene introgression from Aegilops into wheat, In: Bürtsmayr, H (szerk.) Abstracts proceedings, poster presentations, (2019) pp. 265-265., 2019 | | István Molnár, Éva Szakács, Kitti Pázsi, András Farkas, László Ivanizs, Mónika Cséplő, Jan Vrana, Gyula Vida, Márta Molnár-Láng, Jaroslav Dolezel: The use of wild relatives and chromosome genomics for gene mapping, cloning and improving rust resistance in wheat., In: Brandstetter, Anton; Geppner, Manuela (szerk.) 69. Conference: Resistance breeding, Druck und Verlag (2019) pp. 11-13., 2019 | | Istvan Molnar, Jan Jurecka, Mahmoud Said, Andras Farkas, Laszlo Ivanizs, Jaroslav Dolezel, Eva Hribova: Chromosome sorting and sequencing facilitate cytogenetic mapping of satellite repeat landscape of the U- and M genomes of diploid Aegilosp, In: Centre, of the Region Haná for Biotechnological Agricultural Research (szerk.) Plant Biotechnology: Green for Good V, European Federation of Biotechnology (2019) p. 94., 2019 | | Ivanizs László, Monostori István, Farkas András, Megyeri Mária, Mikó Péter, Szakács Éva, Szőkéné Pázsi Kitti, Türkösi Edina, Gaál Eszter, Lenykó-Thegze Andrea, Molnár Istvá: Különböző ökológiai élőhelyekről származó Aegilops biuncialis vonalak genetikai diverzitásának vizsgálata, In: Karsai, Ildikó (szerk.) Növénynemesítés a 21. század elején: kihívások és válaszok, Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományok Osztályának Növénynemesítési Tudományos Bizottsága (2019) pp. 338-341., 2019 | | Molnár I, Farkas A, Jan V, Darkó É, Ivanizs L, Pázsi K, Jaroslav D, Andrzej K: Az Aegilops biuncialis DArTseq alapú F2 genetikai térképének előállítása, In: Veisz, Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Magyar Tudományos Akadémia (2017) pp. 41-41., 2017 | | Rakszegi M, Lovegrove A, Molnár I, Darkó É, Farkas A, Láng L, Bedő Z, Dolezel J, Lángné Molnár M, Shewry P: Aegilops kromoszóma addíciók (U és M) hatása a búza teljes őrlemény rostanyag tartalmára és összetételére, In: Veisz, Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók, Magyar Tudományos Akadémia (2017) pp. 37-37., 2017 | | M Rakszegi, A Lovegrove, P Shewry, É Darkó, M Molnár-Láng, J Dolezel, I Molnár: Genetic background of Aegilops seed composition, In: Bürtsmayr, H (szerk.) Abstracts proceedings, poster presentations, (2019) pp. 43-43., 2019 | | Marianna Rakszegi, István Molnár, Alison Lovegrove, Éva Darkó, András Farkas, László Láng, Zoltán Bedő, Jaroslav Doležel, Márta Molnár-Láng, Peter Shewry: Addition of Aegilops U and M chromosomes affects protein and dietary fiber content of wholemeal wheat flour, CEREAL RESEARCH COMMUNICATIONS 45: (S1) pp. 68-69., 2017 | | Molnár I, Vrána J, Burešová V, Cápal P, Farkas A, Darkó É, Cseh A, Kubaláková M, Molnár-Láng M, Doležel J: Dissecting the U, M, S and C genomes of wild relatives of bread wheat (Aegilops spp.) into chromosomes and exploring their synteny with wheat., The Plant Journal, online first, 2016 | | Mária Megyeri, Péter Mikó, András Farkas, Márta Molnár-Láng, István Molnár: Cytomolecular discrimination of the Am chromosomes of Triticum monococcum and the A chromosomes of Triticum aestivum using microsatellite DNA repeats, Journal of Applied Genetics, online first, 2016 | | Marianna Rakszegi*, István Molnár*, Alison Lovegrove, Eva Darko, András Farkas, László Láng, Zoltán Bedő, Jaroslav Doležel, Molnár-Láng Márta, Peter Shewry: Addition of Aegilops U and M chromosomes affects protein and dietary fiber content of wholemeal wheat flour., Frontiers in Plant Science, 2017 | | László Ivanizs, András Farkas, Gabriella Linc, Márta Molnár-Láng, István Molnár: Molecular cytogenetic and morphological characterization of two wheat-barley translocation lines, PLOS ONE, 2018 | | Edina Türkösi, Eva Darko, Marianna Rakszegi, István Molnár, Márta Molnár-Láng, András Cseh: Development of a new 7BS.7HL winter wheat-winter barley Robertsonian translocation 2 line conferring increased salt tolerance and (1,3;1,4)-β-D-glucan content, PLOS ONE, accepted, 2018 | | Eszter Gaál, Miroslav Valárik, István Molnár, András Farkas, Gabriella Linc: Identification of COS markers specific for Thinopyrum elongatum chromosomes preliminary revealed high level of macrosyntenic relationship between the wheat and Th. elonga, PLOS ONE, 2018 | | Rakszegi M, Darkó É, Lovegrove A, Molnár I, Láng L, Bedő Z, Molnár-Láng M, Peter Shewry: Drought stress affects the proteinand dietary fiber content of wholemeal wheat flour in wheat/Aegilops addition lines., PLOS ONE, 2019 | | Mahmoud Said, Alejandro Copete Parada, Eszter Gaál, István Molnár, Adoración Cabrera, Jaroslav Doležel, Jan Vrána: Uncovering homeologous relationships between tetraploid Agropyron cristatum and bread wheat genomes using COS markers., Theoretical and Applied Genetics, 132: 2881-2898, 2019 | | Said, M., M. Kubaláková, M. Karafiátová, I. Molnár, J. Doležel, and J. Vrána.: Dissecting the complex genome of crested wheatgrass by chromosome flow sorting., The Plant Genome 12:180096., 2019 | | Mitaly Bansal, Nikolai M. Adamski, Puneet Inder Toor, Satinder Kaur, István Molnár, Kateřina Holušová, Jan Vrána, Jaroslav Doležel, Miroslav Valárik, Cristobal Uauy, Parveen Chhuneja: Aegilops umbellulata introgression carrying leaf rust and stripe rust resistance genes Lr76 and Yr70 located to 9.47-Mb region on 5DS telomeric end through a combination of chromosome sorting and sequencing, Theoretical and Applied Genetics 33, 903–915., 2020 | | Éva Szakács, Kitti Szőke-Pázsi, Balázs Kalapos, Annamária Schneider, László Ivanizs, Marianna Rakszegi, Gyula Vida, István Molnár* and Márta Molnár-Láng: 1RS arm of Secale cereanum ‘Kriszta’ confers resistance to stripe rust, improved yield components and high arabinoxylan content in wheat, Scientific Reports, 10:1792, 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
