FISH based karyotype and physical mapping of perennial Thinopyrum species, as a tertiary gene pool of bread wheat  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108555
Type K
Principal investigator Linc, Gabriella
Title in Hungarian Évelő Thinopyrum fajok, mint a kenyérbúza harmadlagos génállományának FISH kariotipizálása és fizikai térképezése
Title in English FISH based karyotype and physical mapping of perennial Thinopyrum species, as a tertiary gene pool of bread wheat
Keywords in Hungarian mcFISH, pachitén-FISH, mikroszatellit markerek, diploid Thinopyrum fajok
Keywords in English mcFISH, pachytene-FISH, microsatellite markers, diploid Thinopyrum species
Discipline
Plant breeding (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Department of Genetic Resources (Centre for Agricultural Research)
Participants Gaál, Eszter
Icsó, Diána
Lángné dr. Molnár, Márta
Molnár, István
Sepsi, Adél
Starting date 2013-09-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 31.936
FTE (full time equivalent) 7.13
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Az évelő Thinopyrum fajokból történő hatékony génátvitel elengedhetetlen feltétele, hogy az egyes fajok genomszerveződését, valamint más fajokkal fennálló rokonsági viszonyukat megértsük és részletesen ismerjük. Ezekkel a fajokkal számos keresztezést végeztek és régóta alkalmazzák a kutatók különböző rezisztenciagének beépítésére a termesztett búzába. Az intenzív alkalmazás ellenére azonban részletes, nagy felbontású FISH kariotípusuk nem ismert. Martonvásáron az elmúlt évtizedekben számos búza × Thinopyrum keresztezés és genetikai alapanyag előállítás történt, ám az utódok részletes genetikai vizsgálata az egyes diploid fajok kariotípusának ismerete nélkül nem valósult meg. A kutatási terv elsődleges célkitűzése részletes FISH-alapú kariotípusok kidolgozása dipolid évelő Thinopyrum fajokra. Ezen eredmények lehetővé teszik számunkra az egyes genomok részletes megismerését, amely ismereteket felhasználunk a korábban Martonvásáron előállított, agronómialilag hasznos tulajdonságokkal rendelkező genetikai alapanyagok elemzésére. Napjainkig a diploid évelő Thinopyrum fajok közül az EE genom részletes kariotípusa ismert. Egyes miroszatellit szekvenciák felhasználhatók, mint kiegészítő molekuláris citogenetikai próbák. Célunk olyan trinukleotid DNS próbák tesztelése a diploid Thinopyrum fajokon, amelyeket korábban Martonvásáron hoztunk létre. Tervezzük az egyedi jelölődést mutató szekvenciák FISH-alapú fizikai térképezését centroméra- és teloméra specifikus próbák segítségével.

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 kutatók egy ideje érdeklődéssel fordulnak a Thinopyrum fajok felé és rendszeresen alkalmazzák őket fajkeresztezések során agronómialig hasznos gének átépítésére, valamint szemtermés előállítására a fenntartható mezőgazdasági rendszerekben. Új betegségrezisztencia források szelektálása folyik a búza-Thinopyrum keresztezések utódai közül azzal a céllal, hogy kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkező genetikai alapanyagokat állítsunk elő. Ezen fajok céltudatos keresztezésekbe történő bevonásához részletesen ismernünk kell az egyes fajok genetikai és citogenetikai felépítését. A gyors és pontos, búza háttérben Thinopyrum DNS-t tartalmazó genetikai alapanyagok azonosításához szükséges az idegen (jelen esetben Thinopyrum) genomok részletes, FISH-alapú kariotítpusa. A diploid fajok részletes, nagy felbontású FISH mintázata nem ismert, napjainkig csupán az EE genom FISH-alapú kariotípusa kidolgozott. Ezen ismeretek hiánya nehézkessé teszi az intergenerikus hibridek utódainak elemzését, ill. az idegen kromoszóma szakaszok kimutatását a búza genomjában. Elsődleges célunk a diploid évelő Thinopyrum fajok részletes, nagy felbontású FISH-alapú karitípusának elkészítése. Tervezzük az egyedi jelölődést mutató trinukleotid szekvenciák FISH-alapú fizikai térképezését. A kidolgozott kariotípusok lehetővé teszik számunkra a pre-breeding alapanyagok gyors és pontos meghatározását és az idegen fajú átépülések egyértelmű tervezését és kivitelezését.

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!

A hexaploid búza harmadlagos génállományához tartozó fajok hasznos génforrást jelentenek a növénynemesítés számára. Az egyes Thinopyrum fajok ivaros úton keresztezhetők a búzával és sorozatos visszakeresztezések után agronómiailag hasznos gének, mint pédául szár- és levélrozsda, búza csíkos mozaik vírus, árpa sárga törpeség vírus, fuzárium, Cephalosporium stb. építhetők be a búza genomjába. Azonban ismert molekuláris citogenetikai markerek nélkül ezeknek a genetikai alapanyagoknak az azonosítása nehézségekbe ütközik. Az elmúlt évtizedekben számos búza × Thinopyrum keresztezést végeztek és pre-breeding alapanyagot állítottak elő a kutatók Martonvásáron. A létrehozott genetikai anyagok idegen fajból származó szakaszokat hordoznak Az utódok teljes genetikai elemzése nem teljes, mivel az egyes Thinopyrom genomok részletes kariotípusa nem ismert. Napjainkig a diploid EE genom részletes FISH-alapú kariotípusa kidolgozott. A tervezett kutatási project keretében elkészítjük a diploid Thinopyrum fajok FISH-alapú kromoszóma kariotípusát, amelyeket a későbbiek során, a Martonvásáron előállított genetikai alapanyagok azonosítására használunk. A kísérletekhez repetitív DNS szekvenciákat és mikroszatellit markereket alkalmazunk jelölt próbaként. A mitotikus kromoszómákon egyedi jelölődést mutató trinukleotid szekvenciákat pachytén fázisban lévő kromoszómákon alkalmazzuk fizikai térképezésre. A tervezett kutatás keretében kidolgozott kariotípusok lehetővé teszik számunkra pre-breeding alapanyagok gyors és pontos meghatározását és az idegen fajú átépülések egyértelmű tervezését és kivitelezését.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A tarackbúza (Thinopyrum) fajok többsége abiotikus és biotikus stresszekkel szemben ellenálló és az egyes fajokon belül is nagy változatosság figyelhető meg. Ezeknek a fajoknak számos vonala földrajzilag eltérő, természetes élőhelyeken megtalálható, illetve a világ különböző génbankjaiban fenntartható. Az évelő tarackbúza fajok kedvező genetikai adottságai a búzanemesítés számára még felhasználhatók. A Thinopyrum fajok a búzával ivaros, természetes úton keresztezhetők, a kedvező tulajdonságok a hibridekből további visszakeresztezésekkel a termesztett búzába beépíthetők, így a nemesítés számára jelentős géntartalékot jelentenek. Ahhoz azonban, hogy pontosan meghatározhassuk az előállított genetikai anyagokban az idegen fajokból származó kromoszóma szakaszokat, ismernünk kell az idegen fajok pontos kromoszóma összetételét. Ismétlődő DNS próbák egyedi jelölődést mutatnak az egyes kromoszómákon, amely mintázat fajonként változatos képet mutat. Különböző DNS próbák kombinációjával az egyes kromoszómák pontosan azonosíthatók. A diploid tarackbúza fajok közül napjainkig az EE genom kromoszóma kariotípusa kidolgozott. Kísérleteink során célul tűztük ki más évelő tarackbúzák kromoszóma összetételének ill. kariotípusának elkészítését ismétlődő DNS szakaszok és molekuláris markerek felhasználásával. Az egyedi jelölődést mutató DNS próbákat pachytén-FISH módszerrel térképezzük az egyes kromoszómákon. Eredményeink felhasználásával a meglévő genetikai anyagok pontosan elemezhetők, ill. a későbbiek során irányított génátvitel valósítható meg.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Understanding the genome organization of perennial Thinopyrum species and their phylogenetic relationships with other related genomes will greatly facilitate the utilization of these species for transferring agronomically useful genes into bread wheat. These genotypes have long been used as a source of various types of resistance for wheat improvement, and numerous transfers have been made. However, despite heavy use, no high resolution karyotypes exist. Several genetic materials from wheat × Thinopyrum crosses have been developed in Martonvásár in the last decades. Most of these lines carry alien chromosome segments but the exact identification and detailed molecular cytogenetic analysis is still missing. The main objective of the planned research project is to develop FISH-based chromosome karyotypes in order to broaden our knowledge in the Thinopyrum genus, which information will be used later on to characterize prebreeding and other agronomically useful genetic materials produced in Martonvásár. Detailed FISH-based karyotype is available only for detecting the EE genome chromosomes. Microsatellite sequences and clusters can be used as additional cytogenetic markers. Our goal is to analyse trinucleotide DNA sequences, which were previously design in Martonvásár and use them as cytogenetic markers to study diploid Thinopyrum species. Unique clones will be used for physical FISH mapping of the investigated genotypes with the help of telomere- and centromere specific repeats.

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.

Thinopyrum species are of particular interest because they are frequently used in wide crosses to transfer agronomically useful genes into cereals and for the production of perennial grains for sustainable agricultural systems. In order to produce improved genetic materials, new sources of disease resistance are continuously being detected in the progenies of wheat-Thinopyrum derivatives. The targeted exploitation of this variability requires detailed knowledge of the genetic and cytogenetic structure of these species. The rapid, accurate identification of these materials can only be achieved by generating detailed karyotypes of individual genomes based on the use of different molecular cytogenetic probes. Complete description of the FISH pattern of the individual chromosomes of diploid Thinopyrum genomes is still missing, only the EE genome is known, and makes it difficult to analyze the progenies of intergeneric hybrids or identify the incorporated alien DNA segments in a wheat background. Our major goal is to produce detailed FISH-based, high resolution karyotypes for diploid perennial Thinopyrum species and to produce physical maps based on the order of unique trinucleotide sequences. The established karyotypes will be useful for the rapid identification of potential donor chromosomes in wheat improvement programs, allowing appropriate alien transfer.

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.

Wild species of tertiary gene pool of hexaploid wheat can serve as valuable genetic resources for wheat improvement. Thinopyrum species can be crossed with bread wheat and after several backcrosses genetic materials carrying agronomically useful genes such as leaf and stem rusts, wheat streak mosaic virus, barley yellow dwarf virus, Fusarium head blight, Cephalosporium stripe disease, etc can be selected. However, without known molecular cytogenetic markers the identification of these pre-breeding materials is difficult. Several genetic materials from wheat × Thinopyrum crosses have been developed in Martonvásár in the last decades. Most of these lines carry alien chromosome segments but the exact identification and detailed molecular cytogenetic analysis is still missing. With the help of our planned experiments FISH-based chromosome karyotypes will be developed and applied for the identification of genetic materials (additions, translocations etc.) produced in Martonvásár. Detailed FISH-based karyotype is available only for detecting the EE genome chromosomes. Our major goal is to develop detailed FISH-based chromosome karyotype for diploid perennial Thinopyrum species using repetitive DNA sequences and microsatellite markers. Unique trinucleotide sequences will be used for pachytene-FISH-based physical mapping experiments.
With the help of the proposed newly developed FISH-based results, producing and analyzing pre-breeding materials and desirable alien gene transfer will be more efficient and accurate.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Most of the perennial Thinopyrum species are resistant to biotic and abiotic stress and there is natural genetic variation within species as well. These lines naturally occur with different geographical origin and maintained in gene banks all over the world. Favorable genetic endowments of perennial Thinopyrum species are still available for wheat improvement. These genotypes can naturally be crossed with hexaploid wheat and after several backcrosses the most desirable properties will be incorporated to the wheat genome and can be utilized as useful gene resource for wheat breeding projects. Understanding the organization of the genomes in the Thinopyrum genus and their phylogenetic relationships with other related genomes will greatly facilitate the utilization of these species for transferring agronomically useful genes into bread wheat. Based on repetitive sequences’ FISH pattern, chromosomes can be identified individually by species. Detailed FISH-based karyotype is available only for detecting the EE genome chromosomes. Our major goal is to develop detailed FISH-based chromosome karyotype for diploid perennial Thinopyrum species using repetitive DNA sequences and microsatellite markers. Unique trinucleotide sequences will be used for pachytene-FISH-based physical mapping experiments. With the help of our results, producing and analyzing pre-breeding materials and desirable alien gene transfer will be more efficient and accurate.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A termesztett búza harmadlagos génforrásai közé tartozó Thinopyrum fajok hasznos genetikai forrásként szolgálnak a búzanemesítés számára. Ezek a fajok a búzával természetes úton keresztezhetők és sorozatos visszakeresztezések után agronómiailag hasznos rezisztencia géneket hordozó genetikai alapanyagok szelektálhatók az utódok közül. Az előnemesítési- és nemesítési folyamatokban ezek a fajok nagy jelentőséggel bírnak, azonban az elérhető molekuláris citogenetikai- és molekuláris markerek száma alacsony. Kutatásaink fő célkitűzése volt, hogy az évelő Thinopyrum fajok FISH- alapú kariotípusát kidolgozzuk, valamint egyedi molekuláris markereket azonosítsunk annak érdekében, hogy genetikai hátterüket megismerjük. Részletes FISH kariotípusokat dolgoztunk ki repetitív DNS próbák felhasználásával az egyes diploid fajokra elsősorban a kromoszóma morfológia alapján. A részletes kromoszóma kariotípusok segítségével elkészítettük az egyes fajok idiogramját. A molekuláris citogenetikai vizsgálatokat követően molekuláris marker analízist végeztünk, elsősorban COS markerek alkalmazásával és genom-, valamint kromoszóma specifikus markereket szelektáltunk.
Results in English
Wild species of tertiary gene pool of hexaploid wheat - such as Thinopyrum species - can serve as valuable genetic resources for wheat improvement. Through natural crossing methods with bread wheat and after several backcrosses, genetic materials carrying agronomically useful resistance genes can be selected. The importance of these species is significant in wheat pre-breeding- and breeding programs, however, the number of the available molecular cytogenetic- and molecular markers is low. The main objective of our research project was to develop detailed FISH-based karyotype of several perennial diploid Thinopyrum species and physically map unique DNA sequences in order to characterize these genomes. Detailed FISH karyotype of the diploid species chromosomes were generated using repetitive DNA sequences after validating chromosome morphology and arm ratios of several diploid species’ accession. Based on studying chromosome morphology in details, chromosome idiograms were also built. After molecular cytogenetic investigations, molecular marker analyses were carried out on several accessions using COS markers and genom - and chromosome specific markers were selected.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108555
Decision
Yes





 

List of publications

 
Icsó Diana, Lángné Molnár Márta, Linc Gabriella: Constructing an alternative wheat karyotype using barley genomic DNA, J Appl Genetics, DOI 10.1007/s13353-014-0230-0, 2014
Diána Icsó, Gabriella Linc, Márta Molnár-Láng: Producing wheat/barley introgression lines using the 2C gametocid system, Pannon Növény Biotechnológiai Egyesület (PPBA) tudományos konferencia, Mosonmagyaróvár, 2014. 04.28-29., 2014
Icsó Diana, Lángné Molnár Márta, Linc Gabriella: Constructing an alternative wheat karyotype using barley genomic DNA, J Appl Genetics, 56(1) pp 45-48. DOI 10.1007/s13353-014-0230-0, 2015
Gaál E, Lángné Molnár M, Icsó D, Linc G: Évelő Thinopyrum fajok, mint a kenyérbúza harmadlagos génállományának FISH kariotipizálása, XXI. Növénynemesítési Tudományos Napok: Összefoglalók. 155 p., 2015
MARIYANA GEORGIEVA, KLAUDIA KRUPPA, NEDYALKA TYANKOVA, MARTA MOLNAR LANG: Molecular Cytogenetic Identification of a Novel Hexaploid Wheat- Thinopyrum intermedium Partial Amphiploid having High Protein Content, TURKISH JOURNAL OF BIOLOGY, 2015
Kruppa K, Türkösi E, Maye M, Tóth V, Vida gy, Szakácy É, Molnár-Láng M.: McGISH identification and phenotypic description of Leaf Rust and Yellow Rust Resistant partial amphiploids originating from a wheat x Thinopyrum syntethic hybrid cross., Journal of Applied Genetics, 2016
Kruppa K, Molnár-Láng M.: Simultaneous visualozation of diferent genomes (J, J st and St) in a Thinopyrum internedium x Thinopyrum ponticum syntetic hybrid (Poaceae) and its parental species by..., Comparative Cytogenetics, 2016
Paul Fransz1,*, Gabriella Linc1, Cheng-Ruei Lee2, Saulo Alves Aflitos3, Jesse R. Lasky4, Christopher Toomajian5, Hoda Ali6, Janny Peters7, Peter van Dam7, Xianwen Ji8, Mateusz Kuzak9, Tom Gerats7, Ingo Schubert6, Korbinian Schneeberger10, Vincent Colot11, Rob Martienssen12, Maarten Koornneef8,10, Magnus Nordborg2, Thomas E. Juenger13, Hans de Jong8 and Michael E. Schranz3,*: Molecular, genetic and evolutionary analysis of a paracentric inversion in Arabidopsis thaliana, The Plant Journal, 2016
Gaál Eszter, Lángné Molnár Márta, Icsó Diána, Linc Gabriella: Évelő Thinopyrum (tarackbúza) fajok molekulársi vizsgálata, Növénynemesítési Tudományos Napok 2016, pp 39., 2016
Eszter Gaál, Márta Molnár-Láng, Diána Icsó, Gabriella Linc: Molecular cytogenetic analysis of diploid Thinopyrum species with molecular markers, Fiatal Biotechnológusok Országos Konferenciája, „FIBOK 2016”: Összefoglalók. 109 p, 2016.03.21-22. p86, 2016
Eszter Gaál, Márta Molnár-Láng, Diána Icsó, Gabriella Linc: Molecular cytogenetic analysis of diploid Thinopyrum species with molecular markers, Plant Biology Europe EPSO/FESPB 2016 Congress, Abstracts. 451 p Prague, Czech Republic, June 26-30, 2016, p359, 2016
Icsó Diana, Lángné Molnár Márta, Linc Gabriella: Constructing an alternative wheat karyotype using barley genomic DNA, J Appl Genetics, 56(1) pp 45-48. DOI 10.1007/s13353-014-0230-0, 2015
Gaál Eszter , Icsó Diána , Lángné Molnár Márta , Linc Gabriella: Diploid Thinopyrum fajok molekuláris vizsgálata, Georgikon Napok, Keszthely, Magyarország, 2016.09.29 -2016.09.30. p. 65., 2016
Linc G, Gaál E, Türkösi E, Molnár I, Molnár-Láng M: Molecular cytogenetic tools in characterization of pre-breeding materials produced with Thynopirum species, H Buerstmayr, C Lang-Mladek, B Steiner, S Michel, M Buerstmayr, M Lemmens, J Vollmann, H Grausgruber. Proceedings of the 13 th International Wheat Genetics p.126, Tulln, 2017
Linc G, Gaal E, Molnar I, Icso D, Badaeva E, Molnar-Lang M: Molecular cytogenetic (FISH) and genome analysis of diploid wheatgrasses and their phylogenetic relationship, PLOS ONE 12:(3) Paper e0173623. 18 p., 2017
Gaál E, Molnár I, Linc G: A tarackbúzafajok taxonómiai háttere és vizsgálata molekuláris markerekkel, Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Napok: Összefoglalók. 101 p., 2017
Lenykó-Thegze A, Lángné Molnár M, Linc G: Idegen fajú transzlokációk előállítása a búza genomban, Veisz Ottó (szerk.) XXIII. Növénynemesítési Tudományos Nap: összefoglalók. p. 118, 2017





 

Events of the project

 
2014-09-25 09:34:12
Résztvevők változása




Back »