Drought tolerance, Candidate gene, EcoTILLING, Haplotype, Association tests
Discipline
Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences)
70 %
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Ortelius classification: Plant genetics
Panel
Plant and animal breeding
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Bottka, Sándor Elod Cseri, András Dudits, Dénes Palágyi, András Törjék, Ottó
Starting date
2008-05-01
Closing date
2011-05-31
Funding (in million HUF)
29.993
FTE (full time equivalent)
1.88
state
closed project
Summary in Hungarian
Magyarországon rendszerint a szemtelítődés idején jelentkező szárazság okozza a legnagyobb terméskiesést gabonafélékben. Az árpatermesztésben nagy termőképességű és egyben szárazságtűrő fajták nemesítésével lehet az aszálykárokat legsikeresebben enyhíteni. Ennek előfeltétele a szárazságtűrésben szerepet játszó számos genetikai faktor ismerete. A pályázatban szárazságtűréssel kapcsolatos génjelöltek asszociációs vizsgálatát és funkcionális allélek azonosítását tűztük ki célul. A kandidátus géneket expressziós mintázatok (részben irodalmi és részben SZBK adatok), QTL térképezés, valamint ismert abiotikus stresszválaszban szerepet játszó jelátviteli gének szekvenciái alapján választjuk ki. A vizsgálatokhoz ismert szárazságtűrő és szárazságra érzékeny genotípusokat tartalmazó populációt állítunk össze (kb. 60 árpavonal), amelyben a génvariánsok / haplotípusok elkülönítésére az EcoTILLING módszert használjuk. A szárazságtüréssel kapcsolatos morfológiai és fiziológiai tulajdonságokat üvegházban, kontroll (70%-os vízellátás virágzástól a betakarításig) és stresszelt (30%-os vízellátás virágzástól a betakarításig) körülmények között stresszmonitorozó rendszer segítségével követjük. A genotípusos és fenotípusos adatok asszociációs tesztekkel történő kiértékelésével funkcionális allélek azonosíthatók. Az eredményes vizsgálatok lehetővé teszik a szárazságtűréssel kapcsolatos génjelöltek és alléljeik jellemzését. Az azonosított funkcionális allélek közvetlenül felhasználhatók az árpafajták szárazságtűrésének javítására.
Summary
In Hungary terminal drought is a main factor limiting the yield of cereals including barley. The development of stress-tolerant varieties with yield stability will help to reduce the risk in barley cultivation. The probability of a successful breeding for drought tolerance is largely dependent on the understanding and knowing of the genetical factors that regulate this highly quantitative trait. In the proposed project drought tolerance related candidate genes will be analyzed by using association tests to identify functional alleles. Based on results from gene expression and mapping studies and known biochemical and/or physiological pathways for abiotic stress responses, we aim to set up a panel of potential key candidate genes for drought tolerance. Allelic / haplotype variation in these genes will be determined for a set of ca. 60 barley genotypes including stress tolerant and sensitive lines using the EcoTILLING technology. Parallel a set of morphological and physiological traits will be monitored using a complex stress diagnostic system under non-stress (70 % water supply for the whole life cycle) and stress (30 % water supply from heading until harvesting) conditions. Collected genotypic and phenotypic data will be evaluated using association tests to identify functional alleles. The successful completion of these studies will allow the characterization of candidate genes and their alleles. Functional alleles can be directly integrated in barley breeding programs for improvement of drought tolerance.
Final report
Results in Hungarian
Célunk a szárazságtűrésben szerepet játszó kandidátus gének genetikai variabilitásának feltárása volt, melyhez az EcoTILLING módszert alkalmaztuk. Vizsgálatainkhoz a világ számos pontjáról gyűjtött 96 genotípust tartalmazó, szárazságtűrés szempontjából variábilis árpa kollekciót állítottunk össze. Az alkalmazott technológia segítségével mintegy 1,5 millió bázispárnyi szekvencia vizsgálata nyomán 94 egyedi allélvariánst különítettünk el a 9 génre tervezett 18 amplikon elemzése útján. Egy bázispárnyi eltérést (SNP) 185, inszerció/deléció-t (INDEL) pedig 46 esetben azonosítottunk. A haplotípus-szekvenciák birtokában 4 kandidátus gén esetében olyan informatív polimorfizmusokat konvertáltunk át genetikai markerekké, melyek által lehetővé vált a valószínűsíthetően funkcionális allélvariánsok elkülönítése.
A szárazságtolerancia mértékének komplex stressz diagnosztikai rendszerben történő teszteléséhez összeállítottunk egy 25 genotípust tartalmazó árpa törzskollekciót. A genotípusok szárazság toleranciájának szintjét szántóföldi körülmények között is meghatároztuk.
A gyökérnövekedési paraméterek nyomonkövetésére kidolgoztunk egy kísérleti rendszert. Az osztódásban lévő sejtek arányát 5-etinil-2-deoxiuridin (EdU)-re alapozott fluoreszcens mikroszkópiával határoztuk meg. Egy ellenálló és egy érzékeny genotípus esetében a génexpressziós mintázatokat is összehasonlítjuk a gyökérspecifikus és a sejtciklusban szereplő gének vizsgálata útján.
Results in English
We aim for exploring genetic variability of drought tolerance related candidate genes we have applied a high throughput and relatively inexpensive method namely EcoTILLING as a polymorphism discovery tool.
We have established a set of 96 barley genotypes, which contains drought tolerant and sensitive genotypes collected worldwide. By using this method approximately 1.5 million basepairs in barley a total number of 94 verified unique haplotypes were identified in 18 amplicons designed for 9 genes. Overall, 185 single nucleotide polymorphisms (SNPs) and 46 insertions/deletions (INDELs) were detected. Based on overlapping haplotype sequences, of four candidate genes informative poly-morphisms were converted into genetic markers allowing the detection of the potential functional haplotypes.
To test drought tolerance and agronomic parameters we have used a complex stress diagnostic system for characterization a subcollection of 25 barley genotypes. The drought tolerance of these genotypes was also tested under field conditions. The two test system provided overlapping ranks of genotypes in drought response.
We have developed an experimental system for the detection of changes of root growth parameters of barley seedlings under water deficit. The frequency of S-phase cells was detected by 5-ethynil-2-deoxiuridine (EdU) based fluorescent microscopy. By studies on tolerant and sensitive genotypes we compare gene expression profiles for root specific and cell cycle genes.
Törjék O., Cseri A., Palágyi A., Dudits D. (Meghívott előadó): EcoTILLING Analysis of Candidate Genes for Drought Tolerance in Barley, 2nd Workshop on TritiGen COST action FA0604: Triticeae genomics for the advancement of essential European crops. Albena, Bulgaria, 2008
Cseri A, Palágyi A, Cserháti M, Pauk J, Dudits D, Törjék O (Poszter): EcoTILLING analysis of drought related candidate genes in barley, „Plant Abiotic Stress – from signaling to development”, International Conference, Tartu Estonia, 2009
Cseri A., Törjék O., Dudits D.: Allele mining in barley candidate genes for drought tolerance, NAP BIO “plant resource” for cereal improvement Hungarian-German Integrated Project Closing Seminar, 18-19 November, 2009, 2009
András Cseri, András Palágyi, Mátyás Cserháti, János Pauk, Dénes Dudits, Ottó Törjék: EcoTILLING analysis of drought tolerance related candidate genes in barley, New developments in green gene technology, 8th International Symposium int he Series, 1-4 September 2009, Szeged, Hungary, 2009
