AUTOREFERAT. Załącznik nr 2

Transkrypt

1 Załącznik nr 2 dr Karolina Krystkowiak Zespół Fenotypowania i Genotypowania Zbóż Zakład Biotechnologii Instytut Genetyki Roślin Polskiej Akademii Nauk ul. Strzeszyńska 34, Poznań AUTOREFERAT Wykorzystanie metod biometrycznych i biotechnologicznych w badaniach nad genetycznym uwarunkowaniem wybranych cech użytkowych pszenicy zwyczajnej (Triticum aestivum L.) POZNAŃ 2016

2 AUTOREFERAT 1. Karolina Krystkowiak Instytut Genetyki Roślin Polskiej Akademii Nauk (IGR PAN) w Poznaniu 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe/ artystyczne z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej. Doktor nauk rolniczych, dyscyplina agronomia ( ); Instytut Genetyki Roślin Polskiej Akademii Nauk w Poznaniu. Praca doktorska pt. Zależność między polimorfizmem DNA a zdolnością kombinacyjną wybranych odmian pszenicy (Triticum aestivum L.), wykonana pod kierunkiem prof. dr. hab. Tadeusza Adamskiego. Magister inżynier biotechnologii, specjalność biotechnologia w produkcji roślinnej, kierunek Biotechnologia ( ), Akademia Rolnicza im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu. Praca magisterska pt. Alkaloidy tropanowe w kulturach in vitro gatunków: Atropa belledonna, Hyoscyamus niger wykonana pod kierunkiem dr. Wojciecha Lassocińskiego w Katedrze Biochemii i Biotechnologii Wydziału Rolniczego Akademii Rolniczej im. A. Cieszkowskiego w Poznaniu. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych/ artystycznych obecnie adiunkt, Pracownia Genetyki Ilościowej, od Zakład Biotechnologii, Zespół Fenotypowania i Genotypowania Zbóż, Instytut Genetyki Roślin PAN doktorantka, Pracownia Genetyki Ilościowej, Instytut Genetyki Roślin PAN. Strona 2 z 39

3 4. Wskazanie osiągnięcia* wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. Nr 65, poz. 595 ze zm.): a) tytuł osiągnięcia naukowego/artystycznego Cykl siedmiu publikacji pod wspólnym tytułem: Wykorzystanie metod biometrycznych i biotechnologicznych w badaniach nad genetycznym uwarunkowaniem wybranych cech użytkowych pszenicy zwyczajnej (Triticum aestivum L.) b) (autor/autorzy, tytuł/tytuły publikacji, rok wydania, nazwa wydawnictwa) (podano IF z roku opublikowania pracy; w przypadku prac opublikowanych w roku 2016 podano dostępny IF z roku 2015; punkty MNiSW podano według uaktualnionej w 2016 listy) 1. Krystkowiak K., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z. (2009). Relationship between phenotypic and genetic diversity of parental genotypes and the specific combining ability and heterosis effects in wheat (Triticum aestivum L.). Euphytica 165: [IF 2009 =1,403; MNiSW 2016 =30 pkt, mój udział procentowy szacuję na 80%] 2. Krystkowiak K., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z., Kuczyńska A. (2009). Ocena zróżnicowania odmian pszenicy pod względem cech użytkowych z wykorzystaniem jedno- i wielowymiarowych metod statystycznych. Biul. IHAR 253: [MNiSW 2016 =6 pkt, mój udział procentowy szacuję na 80%] 3. Krystkowiak K., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z, Kuczyńska A., Burtna A., Trzeciak R. (2011). Zmienność wybranych cech technologicznych ziarna mieszańców pszenicy ozimej w zależności od składu podjednostek białek gluteninowych u form rodzicielskich. Biul. IHAR. 260/261: [MNiSW 2016 =6 pkt, mój udział procentowy szacuję na 70% ] 4. Salmanowicz B.P., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z., Krystkowiak K., Kuczyńska A., Banaszak Z., Ługowska B., Majcher M., Obuchowski W. (2012). The relationship between grain hardness, dough mixing parameters and breadmaking quality in winter wheat. Int. J. Mol. Sci. 13: [IF 2012 = 2,464; MNiSW 2016 = 30 pkt, mój udział procentowy szacuję na 25%] Strona 3 z 39

4 5. Adamski T., Krystkowiak K., Kuczyńska A., Mikołajczak M., Ogrodowicz P., Ponitka A., Surma M., Ślusarkiewicz-Jarzina A. (2013). Segregation distortion in homozygous lines obtained via anther culture and maize doubled haploid methods in comparison to single seed descent in wheat (Triticum aestivum L.). Electron. J. Biotechn. 17:6-13. [IF 2013 = 0,647; MNiSW 2016 = 15 pkt, mój udział procentowy szacuję na 50%] 6. Wiśniewska H., Surma M., Krystkowiak K., Adamski T., Kuczyńska A., Ogrodowicz P., Mikołajczak K., Lenc L., Baturo-Cieśniewska A., Łukanowski A., Kaczmarek Z., Krajewski P., Sawikowska A., Majka M., Góral T., Belter J., Sadowski C. (2016). Simultaneous selection for yield-related traits and susceptibility to Fusarium head blight in spring wheat RIL population. Breeding Science 66: [IF 2014 = 1,543; MNiSW 2016 = 30 pkt, mój udział procentowy szacuję na 28%] 7. Krystkowiak K., Langner M., Adamski T, Salmanowicz B.P., Kaczmarek Z., Krajewski P., Surma M. (2016). Interactions between Glu-1 and Glu-3 loci and associations of selected molecular markers with quality traits in winter wheat (Triticum aestivum L.) DH lines. J. Appl. Genet. doi: /s [IF 2015 = 1,929; MNiSW 2016 = 20 pkt, mój udział procentowy szacuję na 60%] autor korespondencyjny Mój procentowy udział własny, wyliczony jako średnia udziałów w poszczególnych artykułach wyniósł około 60%. Kopie prac naukowych stanowiących główne osiągnięcie naukowe wraz z oświadczeniami współautorów określających ich indywidualny wkład w powstanie każdej z publikacji, stanowią załączniki nr 6 oraz nr 7.. Strona 4 z 39

5 Wykaz skrótów DH-MP linie homozygotyczne wyprowadzone otrzymane na drodze zapylania pszenicy z kukurydzą (ang. doubled haploid line derived by pollination with maize) DH-AC FDK FHB FM GCA GD linie homozygotyczne wyprowadzone poprzez androgenezę (ang. doubled haploid line derived by anther culture) stopień porażenia ziarna (ang. Fusarium-damaged kernels) fuzarioza kłosów (ang. Fusarium head blight) marker funkcjonalny (ang. functional marker) ogólna zdolność kombinacyjna (ang. general combining ability) zróżnicowanie genetyczne (ang. genetic distance) HMW-GS wysokocząsteczkowe podjednostki gluteninowe (ang. high-molecular weight glutenin subunits) KWS masa ziarna z kłosa (ang. kernel weight per spike) LMW-GS niskocząsteczkowe podjednostki gluteninowe (ang. low-molecular weight glutenin subunits) NIR PD PRI PSI QTL RIL SCA SSD TKW WHI wskaźnik twardości ziarna (ang. near-infrared-reflectance) zróżnicowanie fenotypowe (ang. phenotypic distance) wskaźnik twardości ziarna (ang. pearling resistance index) wskaźnik twardości ziarna (ang. particle size index), loci cech ilościowych (ang. quantitative trait locus) linie rekombinacyjne (ang. recombinant inbred line) specyficzna zdolność kombinacyjna (ang. specific combining ability) linie wyprowadzone techniką pojedynczego ziarna (ang. single seed descent) masa tysiąca nasion (ang. thousand kernel weight) wskaźnik twardości ziarna (ang. wheat hardness index), Strona 5 z 39

6 c) omówienie celu naukowego/artystycznego ww. pracy/prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania. I. Wprowadzenie Pszenica zwyczajna (Triticum aestivum L.) jest jednym z najważniejszych zbóż, powierzchnię jej uprawy szacuje się na ok. 200 ml ha (Ortiz i in. 2008). Z tego też względu, niezwykle pożądany jest postęp biologiczny towarzyszący wprowadzaniu nowych odmian bardziej plennych, odpornych na choroby, jak również lepszych pod względem cech kształtujących parametry jakościowe ziarna. Jego wielkość, jak i tempo wdrażania, jest uwarunkowane przede wszystkim wiedzą z zakresu genetycznych podstaw procesów i zjawisk mających na celu ulepszenie roślin uprawnych, jak również wykorzystaniem w hodowli metod i technologii opartych na wiedzy z zakresu biologii, genetyki i biotechnologii. Zgodnie z definicjami podanymi przez Europejską Federację Biotechnologii oraz Organizację Współpracy i Rozwoju Ekonomicznego, biotechnologia to integracja nauk przyrodniczych i inżynieryjnych w celu zastosowań organizmów, komórek lub ich części oraz molekularnych analogów w celu pozyskania produktów i usług oraz zastosowanie podstaw naukowych i inżynieryjnych do przetwarzania materiałów i czynników biologicznych w celu pozyskania dóbr i usług. Natomiast według Malepszego (2001) biotechnologia roślin stosowana na użytek szeroko pojętego rolnictwa to ta część tych wszystkich działań, wymienionych w cytowanych definicjach, w której mamy do czynienia z roślinami lub ich fragmentami w postaci organów, tkanek, komórek, organelli czy substancji chemicznych. Zastosowanie w hodowli nowoczesnych technologii opartych na kulturach in vitro przy równoczesnym zastosowaniu markerów molekularnych pozwala na skrócenie cyklu hodowlanego, świadomy i monitorowany transfer genów, a także zwiększenie efektywności selekcji, co w konsekwencji przyczynia się do obniżenia kosztów wyhodowania nowych odmian. Z historycznego punktu widzenia, w hodowli pszenicy można wyodrębnić dwa etapy: pierwszy z nich obejmował nieświadome ulepszanie roślin, natomiast drugi wiąże się z opartym na naukowych podstawach procesie hodowlanym. Użycie krzyżowań w celu uzyskania korzystnych rekombinantów jest jedną z najważniejszych metod hodowli pszenicy. Hodowla nowych odmian jest jednak procesem długotrwałym. U pszenicy od wykonania krzyżowań do wprowadzenia odmiany na rynek wynosi on kilkanaście lat, a to właśnie czas jest w dużym stopniu czynnikiem decydującym o sukcesie hodowlanym. Z hodowlą nowych Strona 6 z 39

7 odmian związane jest również zjawisko heterozji. Zjawisko heterozji u pszenicy zostało opisane w 1919 roku przez Freemana, a obecnie wykorzystywane jest do tworzenia wysokoplennych, odpornych na choroby odmian mieszańcowych. Jednak ze względu na fakt, iż pszenica jest rośliną samopylną, wykorzystanie zjawiska heterozji jest utrudnione. W Polsce dostępnych jest tylko kilka odmian mieszańcowych, lecz tylko jedna z nich została przetestowana przez COBORU i wpisana do krajowego rejestru. Skracanie cyklu hodowlanego może odbywać się poprzez haploidyzację mieszańców drogą androgenezy, bądź krzyżowań oddalonych pszenicy z kukurydzą (Adamski i in. 2009), jak również poprzez zastosowanie metody pojedynczych nasion (ang. single seed descent, SSD) (Goulden 1939). Metoda SSD polega na wyborze, począwszy od roślin pokolenia F 2, po jednym ziarnie z rośliny (liczba roślin F 2 uzależniona jest od założonej liczby linii, jaką chcemy uzyskać). W pokoleniu F 6, lub bardziej zaawansowanym, wszystkie nasiona z poszczególnych roślin są zbierane i potomstwo pojedynczej rośliny jest traktowane jako linia SSD. Dodatkowo wprowadzenie modyfikacji techniki SSD, polegającej na połączeniu jej z kulturą in vitro niedojrzałych zarodków, pozwala wyeliminować okres spoczynku nasion i tym samym przyspieszyć cykl hodowlany (Surma i in. 2011). Zarówno system DH (ang. doubled haploid), jak i SSD pozwalają uzyskać linie homozygotyczne w stosunkowo krótkim czasie, przy czym linie DH są homozygotyczne we wszystkich loci, natomiast w przypadku linii uzyskanych metodą SSD, rośliny mogą zawierać tzw. resztkową heterozygotyczność (Burr i Burr 1991). Populacje linii homozygotycznych stanowią doskonały materiał do analizy genetycznej cech ilościowych, konstrukcji map genetycznych, lokalizacji loci odpowiedzialnych za cechy ilościowe (QTL ang. quantitative trait locus), jak również dla celów hodowlanych (Bjørnastad i in. 1993, Poulsen i in. 1995). Z kolei markery molekularne służyć mogą jako narzędzie do selekcji pożądanych genotypów już na etapie roślin haploidalnych (Adamski i in. 2014). Markery molekularne można podzielić na dwie grupy: markery losowe oraz markery opracowane na podstawie polimorfizmu wewnątrzgenowego (Andersen i Lubberstedt 2003, Lubberstedt i in. 2005). Markery losowe są często wykorzystywane do oceny odległości genetycznej między osobnikami, do tworzenia map genetycznych oraz lokalizacji QTL-i. W tym samym rejonie genomu mogą być zlokalizowane QTL-e dla różnych cech ilościowych, a liczba i lokalizacja wykrytych QTL-i może być różna w różnych warunkach środowiska (Hayes i in. 1993). Ponadto sprzężenie marker cecha może ulec przerwaniu w wyniku rekombinacji (Tinker i in. 1996). Zarówno z genetycznego, jak i hodowlanego punktu widzenia oprócz analizy QTL-i istotne jest stwierdzenie ewentualnego występowania Strona 7 z 39

8 interakcji pomiędzy interesującymi loci. Co ważne, interakcja taka może być wysoce istotna pomimo braku występowania istotnych efektów addytywnych poszczególnych loci (Krystkowiak i in. 2016). Drugą grupę stanowią markery molekularne oparte na polimorfizmie wewnątrzgenowym, do których zaliczyć można markery funkcjonalne (ang. functional marker FM), które związane są ze zmiennością konkretnej cechy fenotypowej (Anderson i Luberstesdt 2003, Bagge i in. 2007). Do ich opracowania niezbędna jest wiedza na temat sekwencji genu, umożliwiająca identyfikację jego polimorficznych motywów funkcjonalnych wpływających na obserwowane cechy fenotypowe. Markery FM mogą być wykorzystane do wyboru form rodzicielskich, które służą do wyprowadzania populacji oraz do późniejszej selekcji linii o pożądanych cechach użytkowych (Luberstedt i in. 2005). U pszenicy genami o znanej sekwencji i funkcji są m.in. geny kodujące białka wysoko- i niskocząsteczkowe (ang. high molecular weight glutenin subuit HMW-GS, low molecular weight glutenin subuit LMW-GS) (Anderson i in. 1989, Ahmad, 2000, Lei in. 2006), jak również geny (Pina oraz Pinb), kodujące puroindoliny a i b, wpływające na twardość ziarna (Gautier i in. 1994). Białka wysokocząsteczkowe kodowane są przez loci Glu-A1, Glu-B1 oraz Glu-D1 (Payne 1987, Luo i in. 2001), natomiast niskocząsteczkowe przez Glu-A3, Glu-B3 oraz Glu-D3 (Singh i Shepherd 1988), którym przypisuje się dużą zmienność. Zarówno alleliczne formy genów Glu-1 oraz Glu-3, jak również Pina oraz Pinb związane są z jakością ziarna pszenicy, a co za tym idzie, warunkują jego końcowe wykorzystanie (Salmanowicz i in. 2008, Chen i in. 2012). Wykaz piśmiennictwa podano na stronie 36. II. Hipoteza badawcza Cechy związane ze strukturą plonu i jakością ziarna pszenicy, determinowane przez geny główne, mogą być modyfikowane przez wpływ większej liczby genów o małych efektach, ich współdziałanie oraz interakcję ze środowiskiem, przy czym dyspersja tych genów w genomach form rodzicielskich zwiększa prawdopodobieństwo uzyskania potomstwa o ulepszonych wartościach cech użytkowych. Zakres zmienności homozygotycznego potomstwa, w tym znaczące odstępstwa od poprawności segregacji genów, może być modyfikowany w zależności od metody biotechnologicznej wykorzystanej do jego uzyskania. Strona 8 z 39

9 II. Cel badań stanowiących osiągnięcie naukowe Podstawowym celem w badaniach obejmujących osiągnięcie naukowe było: (1) oszacowanie związku pomiędzy zróżnicowaniem fenotypowym i genetycznym form rodzicielskich (określonym z wykorzystaniem losowych markerów molekularnych) a efektami specyficznej zdolności kombinacyjnej oraz efektami heterozji z wykorzystaniem jedno- i wielozmiennej analizy statystycznej (publikacje nr 1 i 2), (2) określenie wpływu alleli Glu-1 na zmienność wybranych cech technologicznych ziarna w populacjach mieszańców pszenicy ozimej z jednoczesnym uwzględnieniem zróżnicowania genetycznego form rodzicielskich (publikacja nr 3), (3) określenie wpływu locus Ha związanego z twardością ziarna na kształtowanie się parametrów jakościowych pszenicy ozimej (publikacja nr 4), (4) lokalizacja QTL-i związanych z parametrami jakościowymi w populacji linii DH pszenicy ozimej przy równoczesnym uwzględnieniu ich stabilności, oraz zbadanie interakcji pomiędzy loci Glu-1 oraz Glu-3 loci w aspekcie ich wpływu na kształtowanie się parametrów jakościowych pszenicy (publikacja nr 7), (5) określenie zmienności linii RIL (ang. recombinant inbred line) w populacji pszenicy jarej uzyskanej z form rodzicielskich o pośredniej odporności na fuzariozę kłosów (ang. Fusarium head blight FHB) w aspekcie odporności na FHB i kształtowania się cech plonotwórczych oraz poszukiwanie markerów molekularnych związanych z QTL-ami odporności na FHB w połączeniu z selekcją dla cech plonotwórczych (publikacja nr 6), (6) analiza zaburzeń w segregacji genów na przykładzie loci Glu-1 w populacjach linii podwojonych haploidów uzyskiwanych poprzez zapylanie pszenicy kukurydzą (Zea mays L.), poprzez androgenezę oraz techniką SSD (publikacja nr 5). Strona 9 z 39

10 IV. Materiał roślinny i metody badań Wykorzystywany materiał roślinny był zróżnicowany i uzależniony od celu prowadzonych badań. Stanowiły go: polskie, niemieckie oraz angielskie odmiany oraz 76 mieszańców pokolenia F 2 pszenicy ozimej, uzyskane w wyniku skrzyżowania form rodzicielskich w układzie czynnikowym linia tester (publikacja nr 1, 2, 3), 23 linie hodowlane pszenicy ozimej oraz odmiana referencyjna charakteryzujące się różnymi allelami genów Pina-D1 oraz Pinb-D1 oraz zróżnicowane pod względem twardości ziarna (publikacja nr 4), 60 linii homozygotycznych DH pszenicy ozimej otrzymanych na drodze krzyżowania pszenicy z kukurydzą, zróżnicowane pod względem parametrów jakościowych uwarunkowanych genami w loci Glu- 1, Glu-3 oraz Pinb-D1, jak również wykazujące dużą zmienność cech struktury plonu (publikacja nr 7), 198 linii homozygotycznych pszenicy jarej (RILs) otrzymane techniką pojedynczego ziarna, zróżnicowane pod względem odporności na grzyby z rodzaju Fusarium, jak również wykazujące dużą zmienność cech struktury plonu (publikacja nr 6), 1721 linii homozygotycznych pszenicy ozimej pochodzących z sześciu kombinacji krzyżówkowych, otrzymanych na drodze krzyżowania pszenicy z kukurydzą, na drodze androgenezy oraz techniką SSD segregujące pod względem alleli genów Glu-1 (publikacja nr 5). Strona 10 z 39

11 Najważniejsze metody wykorzystywane w badaniach: (1) badanie parametrów jakościowych pszenicy z wykorzystaniem bezpośrednich i pośrednich metod oceny: wykonanie analiz parametrów jakościowych mąki z wykorzystaniem Farinografu (Brabender, Duisburg, Germany) i Reomixera (Bohlen Reomixer (Reologen i Lund AB, Lund, Sweden), wykonanie analiz parametrów jakościowych ziarna z wykorzystaniem aparatu Foss Infratec 1241 Near-Infrared-Reflectance (NIR) Analyser, wykonanie próbnego wypieku chleba, (2) zastosowanie narzędzi biometrycznych oraz metod molekularnych w poszukiwaniu najlepszych komponentów dla hodowli heterozyjnej: wykorzystanie losowych i funkcjonalnych markerów molekularnych, określenie odległość genetycznej par odmian wg. wzoru GD = 1-2Nij / (Ni + Nj), gdzie Nij jest liczbą allele obecne w obu porównywanych linii, podczas gdy Ni i Nj jest liczba alleli odpowiednio linii i oraz j, zastosowanie odległości Mahalanobisa w celu określenia podobieństwa fenotypowego badanych genotypów pod względem wszystkich cech łącznie, oszacowanie efektów heterozji w stosunku do średniej wartości for rodzicielskich, analiza efektów ogólnej i specyficznej zdolności kombinacyjnej, (3) zastosowanie jedno- i wielozmiennej analizy wariancji pozwalającej na ocenę efektów głównych, przeprowadzenie analizy zmiennych kanonicznych oraz określenie mocy dyskryminacyjnej cech w celu wyboru odmian pszenicy charakteryzujących się korzystnymi wartościami cech, (4) fenotypowanie roślin w warunkach polowych pod względem cech morfologicznych i plonotwórczych: masa 1000 nasion, masa ziarna z kłosa, masa ziarna z rośliny, masa ziarna z poletka, wysokość rośliny, długość kłosa, ościstość kłosa, (5) fenotypowanie roślin pod względem stopnia porażenia Fusarium: określenie procentowego stopnia porażenia ziarna w stosunku do liczby i wagi nasion, (6) zastosowanie metod biotechnologicznych w celu uzyskiwania populacji linii homozygotycznych: poprzez haploidyzację mieszańców metodą wykorzystującą zjawisko eliminacji chromosomów w krzyżowaniach pszenicy zwyczajnej z kukurydzą, Strona 11 z 39

12 poprzez zastosowanie androgenezy, oraz wykorzystanie techniki pojedynczego ziarna, (7) genotypowanie analizowanych form pszenicy ozimej z wykorzystaniem różnych systemów markerowych oraz różnych technik rozdziału uzyskanych produktów PCR, (8) identyfikacja loci warunkujących cechy ilościowe związane z parametrami użytkowymi pszenicy w populacjach linii homozygotycznych oraz określenie ich efektów addytywnych, (9) zastosowanie wielozmiennej analizy wariancji dla określenia interakcji genotypowo środowiskowej, (10) zastosowanie dwuczynnikowej analizy wariancji w celu określenia interakcji loci Glu- 1 oraz Glu-3. Strona 12 z 39

13 V. Opracowanie efektywnej metody selekcji komponentów rodzicielskich dla hodowli heterozyjnej pszenicy ozimej (Triticum aestivum L.), łączącej klasyczne metody genetyki ilościowej oraz zastosowanie markerów molekularnych Krystkowiak K., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z. (2009). Relationship between phenotypic and genetic diversity of parental genotypes and the specific combining ability and heterosis effects in wheat (Triticum aestivum L.). Euphytica 165: (publikacja nr 1) Krystkowiak K., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z., Kuczyńska A. (2009). Ocena zróżnicowania odmian pszenicy pod względem cech użytkowych z wykorzystaniem jednoi wielowymiarowych metod statystycznych. Biul. IHAR 253:11-19 (publikacja nr 2) Krystkowiak K., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z., Kuczyńska A., Burtna A., Trzeciak R. (2011). Zmienność wybranych cech technologicznych ziarna mieszańców pszenicy ozimej w zależności od składu podjednostek białek gluteninowych u form rodzicielskich. Biul. IHAR. 260/261: (publikacja nr 3) Jedną z metod pozwalającą na zwiększenie wydajności plonu pszenicy jest hodowla heterozyjna, która daje możliwości wyhodowania odmian o zróżnicowanym podłożu genetycznym, przystosowanych do różnych warunków środowiskowych czy klimatycznych. Heterozja jest naturalnym zjawiskiem występującym u mieszańców otrzymanych z form rodzicielskich o zróżnicowanym tle genetycznym, objawiająca się zwiększonym wigorem, bujnością w stosunku do rodziców (Shull 1948), a możliwość wykorzystania efektu heterozji w znacznej mierze zależna jest od jego kierunku i wielkości. Heterozja może objawiać się zarówno zwiększonym tempem wzrostu czy plonu, jak również poprawą odporności czy parametrów jakościowych, a jej efekt można określić poprzez porównanie wartości roślin pokolenia F 1 lub F 2 w stosunku do lepszego z rodziców lub poprzez porównanie do średniej wartości cechy u obu form rodzicielskich (publikacja nr 1). Celem prowadzonych badań, których wyniki zamieszczono w publikacjach nr 1 i 2 było opracowanie efektywnej metody selekcji komponentów rodzicielskich dla hodowli heterozyjnej pszenicy, łączącej klasyczne metody genetyki ilościowej oraz zastosowanie losowych markerów molekularnych. Zwrócono uwagę zarówno na zróżnicowanie fenotypowe, jak i genetyczne form rodzicielskich stawiając tezę, iż wybór do krzyżowań form rodzicielskich nie różniących się znacznie pod względem fenotypowym ale zróżnicowanych genetycznie, Strona 13 z 39

14 zwiększy szansę otrzymania potomstwa o dużym efekcie heterozji (we wczesnych pokoleniach mieszańcowych) lub linii transgresyjnych (w dalszych pokoleniach o dużym stopniu homozygotyczności). Prawdopodobieństwo uzyskania form transgresyjnych jest bowiem większe z tych kombinacji krzyżówkowych, których formy rodzicielskie wykazują dyspersję genów (Jinks i Pooni 1976). W przypadku występowania dyspersji genów u form wyjściowych, formy te charakteryzują się dużym podobieństwem fenotypowym, przy równocześnie znacznym zróżnicowaniu genetycznym. W badaniach wchodzących w skład publikacji nr 1 oceniono związek między odległościami genetycznymi (GD) (ang. genetic distance), określonymi przy wykorzystaniu markerów molekularnych, odległościami fenotypowymi (PD) (ang. phenotypic distance), (odległościami Mahalanobisa), a efektami ogólnej i specyficznej zdolności kombinacyjnej i heterozji. Wybór odpowiednich komponentów do krzyżowań jest jednym z najważniejszych problemów w pracach genetycznych i hodowlanych. W trafnym wyborze form rodzicielskich w znacznym stopniu może pomóc znajomość efektów ogólnej (GCA) i specyficznej (SCA) zdolności kombinacyjnej (Mather i Jinks 1982). Ocenę wartości hodowlanej genotypów (w tym zdolności kombinacyjnej) przeprowadza się na podstawie analizy potomstwa, uzyskanego w wyniku zastosowania odpowiednich schematów krzyżowania. Najczęściej stosuje się krzyżowanie dialleliczne bądź też czynnikowe (linia tester). Metody te wymagają wykonania dużej liczby krzyżowań, co czyni je bardzo czasochłonnymi i drogimi. Stąd też w hodowli pszenic metody doboru form rodzicielskich na podstawie znajomości zdolności kombinacyjnej nie są często stosowane. Zastosowanie markerów molekularnych w połączeniu z metodami genetyki ilościowej, stworzyło nowe możliwości oceny materiałów wyjściowych pod względem ich przydatności jako form rodzicielskich (publikacja nr 1), stąd też wielu autorów podjęło się opracowania metodyki wyboru komponentów do krzyżowań na podstawie odległości genetycznej między interesującymi hodowcę genotypami. Badania te prowadzono między innymi u słonecznika, pszenicy, kukurydzy i rzepaku (m. in. Melchinger i in. 1990, Corbellini i in. 2002). Możliwość przewidywania występowania efektów heterozji w potomstwie, na podstawie analizy zróżnicowania form rodzicielskich na poziomie molekularnym, byłaby więc ważnym krokiem w kierunku ułatwienia hodowli odmian heterozyjnych. W literaturze szereg prac poświęconych jest zagadnieniu wykorzystania markerów molekularnych do określenia zróżnicowania genetycznego form rodzicielskich i przewidywania wartości oraz zmienności potomstwa, które opierały się na równoczesnej znajomości ocen ogólnej i specyficznej zdolności kombinacyjnej, jak i dystansu genetycznego (m. in. Liu i in. 1999, Corbellini i in. 2002), ale uzyskiwane rezultaty nie Strona 14 z 39

15 wskazywały na jasną zależność pomiędzy efektem heterozji a zróżnicowaniem genetycznym form rodzicielskich. Warto jednak zwrócić uwagę, że w pracach tych, w przeciwieństwie do prezentowanych w publikacjach nr 1 i 2 badaniach, nie brano pod uwagę zróżnicowania fenotypowego badanych form. W badaniach (publikacje nr 1 i 2) przedstawiono wyniki analiz molekularnych form rodzicielskich, stanowiących komponenty krzyżówkowe dla 76 populacji mieszańców F 2 uzyskanych w układzie czynnikowym linia tester, w dwóch niezależnych układach czynnikowych. Formami wyjściowymi były odmiany pszenicy ozimej pochodzące z Polski, Niemiec oraz Wielkiej Brytanii, różniące się pod względem cech struktury plonu jak i parametrów jakościowych. Zastosowanie wielozmiennej analizy wariancji pozwoliło ocenić różnice fenotypowe pomiędzy parami form rodzicielskich pod względem wszystkich analizowanych cech łącznie (odległości Mahalanobisa) i na tej podstawie wytypować pary form rodzicielskich o największym i najmniejszym zróżnicowaniu fenotypowym. Ponadto zastosowana metoda oceny efektów głównych pozwoliła na porównanie badanych odmian pszenicy pod względem wszystkich cech łącznie oraz każdej cechy oddzielnie, a zastosowana następnie analiza zmiennych kanonicznych umożliwiła przedstawienie na płaszczyźnie badanych odmian scharakteryzowanych wszystkimi cechami łącznie. Na podstawie przeprowadzonych analiz molekularnych oszacowano również odległości genetyczne pomiędzy badanymi odmianami, typując pary rodzicielskie o największym zróżnicowaniu genetycznym. Oszacowano również efekty GCA, SCA oraz efekt heterozji. Wykazano, iż w większości przypadków korzystny wpływ genotypu rodzicielskiego na potomstwo w stosunku do jednej z analizowanych cech, nie zawsze idzie w parze z poprawą innych parametrów. W hodowli pszenic jakościowych jest to szczególnie niepożądane zjawisko, gdyż pszenica o dobrej wartości wypiekowej musi spełniać wszystkie kryteria w odniesieniu do analizowanych właściwości technologicznych. Obniżenie bowiem wartości części z parametrów plonotwórczych bądź jakościowych, prowadzi często do dyskwalifikacji odmiany. Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano brak istotnej korelacji pomiędzy PD a efektami SCA oraz heterozji. Stwierdzono jednak istotną pozytywną korelację pomiędzy GD a efektami SCA oraz efektami heterozji dla takich parametrów technologicznych jak zawartość białka, wodochłonność mąki oraz czas rozwoju ciasta, negatywną zaś dla czasu rozmiękczenia ciasta co również jest korzystne dla hodowli pszenic jakościowych. Wyniki uzyskane dla parametrów technologicznych pszenicy pokazują, że w hodowli heterozyjnej skuteczność doboru par rodzicielskich na podstawie GD i SCA mogą być podobne. Uzyskane rezultaty wskazały, iż dystans genetyczny pomiędzy rodzicami może być wykorzystany w wyborze komponentów Strona 15 z 39

16 rodzicielskich do krzyżowań. Należy jednak wziąć pod uwagę, iż w różnych populacjach mogą segregować ich różne allele. Dlatego też w kolejnych badaniach (publikacja nr 3) podjęto próbę bardziej wnikliwej analizy zróżnicowania form rodzicielskich w aspekcie kształtowania się parametrów technologicznych wykorzystując zarówno markery mikrosatelitarne, jak i allelospecyficzne dla loci Glu-1, kodujące wysokocząsteczkowe podjednostki gluteninowe (HMW-GS). Celem pracy było określenie zmienności rodzin pokolenia F 2 pszenicy w grupach charakteryzujących się tymi samymi allelami genów w loci Glu-1, pod względem cech technologicznych ziarna, na tle zróżnicowania genetycznego form rodzicielskich, określanego z wykorzystaniem markerów SSR. Użyte do badań markery mikrosatelitarne zostały wyselekcjonowane na podstawie danych literaturowych dotyczących ich związku z QTL-ami dla cech jakościowych, tj. zawartości białka, twardości, czy parametrów reologicznych (m in. Perretant i in. 2000, Turner in. 2004), zwiększając szansę ich użyteczności w selekcji materiałów roślinnych. Natomiast wykorzystanie markerów allelospecyficznych posłużyło do podziału form rodzicielskich i mieszańców pokolenia F 2 na grupy o tym samym składzie alleli w Glu-1, co następnie dało możliwość ich porównania pod względem parametrów technologicznych. Formy rodzicielskie badane w pracy posiadały łącznie siedem różnych alleli w locus Glu-1 (Glu- 1A: a, c, Glu-1B: b, c, d, Glu-1D: a, d). Wychodząc z założenia, jednakowego w każdej grupie, występowania osobników homo jak i heterozygotycznych (w F 2 50% homozygot), oraz znając z literatury zależności między składem białek gluteninowych a wartością wypiekową mąki (mierzonej wartościami Payne a), możliwe okazało się określenie teoretycznej wartości wypiekowej każdej z 22 utworzonych grup genotypów. Loci Glu-1 zlokalizowane są w 1. grupie homeologicznej chromosomów genomów A, B i D, odpowiednio w Glu-1A, Glu-B1, Glu-D1 (Payne 1987) a białka przez nie kodowane pełnią ważną funkcję w kształtowaniu cech jakościowych mąki poprzez wpływ na jej sprężystość, lepkość oraz elastyczność i rozciągliwość, czyli cechy niezbędne w procesie mieszania i wypiekania ciasta (Luo i in. 2001). W każdym locus Glu-1 występują 2 geny kodujące różne typy podjednostek HMW- GS, x i y odpowiednio o wyższej i niższej masie cząsteczkowej (Payne i in. 1981). Payne (1987) przypisał poszczególnym podjednostkom białek gluteninowych określoną wartość, a sumując wartości podjednostek występujących w danej odmianie można oszacować jej potencjalną wartość wypiekową. Z tego punktu widzenia najkorzystniejszym składem podjednostek wysokocząsteczkowych białek gluteninowych charakteryzowało się sześć form rodzicielskich: Aristos, Batis, Mikon, Pegassos, Rektor (Glu-A1a/Glu-B1c/Glu-D1d) oraz Carolus: (Glu-A1a/Glu-B1b/Glu-D1d). O właściwościach wypiekowych mąki pszenicznej Strona 16 z 39

17 wnioskować można pośrednio na podstawie składu podjednostek HMW-GS, nie determinują one jednak w sposób jednoznaczny właściwości technologicznych pszenicy. Wiele badań wskazuje bowiem, iż również inne rejony genomu są odpowiedzialne za cechy jakościowe ziarna (Sourdille i in. 1996, Galande i in. 2001). Dlatego też określenie zróżnicowania genetycznego krzyżowanych odmian przy zastosowaniu wyselekcjonowanych markerów związanych z cechami jakościowymi, może być informacją pomocną w procesie selekcji pszenic. Do przeprowadzenia koniecznych w publikacji nr 3 analiz niezbędne było wykorzystanie zaawansowanych metod statystycznych, które w połączeniu z analizami technologicznymi i molekularnymi pozwoliły na wnioskowanie i porównanie badanych grup. W pracy badano zmienność wybranych cech technologicznych ziarna u mieszańców (rodzin) pokolenia F 2 pszenicy uzyskanych ze skrzyżowania odmian o różnym składzie podjednostek gluteninowych. Średnie wartości dla wodochłonności mąki, czasu rozwoju ciasta i zawartości białka w grupach o korzystnym składzie HMW-GS (o wysokich wartościach Payne a) były na ogół wyższe niż u pozostałych. Potwierdza to znaczną rolę HMW-GS w kształtowaniu wartości technologicznych mąki. Należy jednak zauważyć, że rodziny w obrębie grupy o tym samym składzie białek gluteninowych różniły się istotnie pod względem badanych cech jakościowych. Stwierdzono, że formy rodzicielskie tworzące poszczególne rodziny zazwyczaj cechowały się znacznym zróżnicowaniem genetycznym. Nie stwierdzono jednak wystąpienia zależności między odległością genetyczną par form rodzicielskich a zmiennością badanych cech determinujących wartość technologiczną mąki. Cechy jakościowe ziarna pszenicy są kontrolowane przez wiele QTL-i, które ze względu na użycie w pracy ograniczonej ilości markerów mikrosatelitarnych, nie były analizowane, co dało podstawy do dalszych, bardziej poszerzonych analiz nad kształtowaniem się parametrów technologicznych u pszenicy. Strona 17 z 39

18 VI. Badanie zależności pomiędzy twardością ziarna a parametrami technologicznymi ziarna linii DH pszenicy ozimej Salmanowicz B.P., Adamski T., Surma M., Kaczmarek Z., Krystkowiak K., Kuczyńska A., Banaszak Z., Ługowska B., Majcher M., Obuchowski W. (2012). The relationship between grain hardness, dough mixing parameters and bread-making quality in winter wheat. Int. J. Mol. Sci. 13: (publikacja nr 4) Gluteniny stanowią grupę białek zapasowych odgrywających kluczową rolę w kształtowaniu cech jakościowych pszenicy. Przyjmuje się, że gluteniny o wysokiej masie cząsteczkowej (HMW-GS) warunkują około 50-70% zmienności cech technologicznych pszenicy. Wśród innych genetycznych uwarunkowań wpływających na kształtowanie się jakości pszenicy szczególną rolę przypisuje się niskocząsteczkowym białkom gluteninowym (LMW-GS). Są one kodowane są przez loci Glu-3 zlokalizowane na krótkim ramieniu chromosomów 1. grupy homeologicznej (1A, 1B, 1D) odpowiednio w Glu-A3, Glu-B3, Glu- D3 (Gale 2005), a różne formy alleliczne genów Glu-3 mogą być także identyfikowane z wykorzystaniem markerów funkcjonalnych (Liu i in. 2012). Do innych czynników wpływających na kształtowanie się parametrów technologicznych pszenicy należy zaliczyć twardość ziarna, która w dużej mierze wpływa na przemiał i końcowe wykorzystanie mąki. Jest ona głównie determinowana przez geny Pina-D1 i Pinb-D1 (kodujące puroindoliny a i b), które na podstawie wcześniej przeprowadzonych badań zlokalizowano na chromosomie 5DS w locus Ha (Giroux i Morris 1997). Bielmo miękkie występuje w przypadku alleli dominujących w obydwu genach, natomiast bielmo twarde jest efektem mutacji jednego lub obydwu genów (Morris 2002). Do tej pory zostało zidentyfikowano 17 alleli genów Pina-D1: Pina-D1a kodujący typ dziki, Pinb-D1b forma null występująca u genotypów charakteryzujących się ziarnem twardym oraz allele Pina-D1c-q (Catalogue of Gene Symbols 2010). W locus Pinb-D1 zostało opisanych do tej pory 29 alelli, które różnią się między sobą pojedynczymi nukleotydowymi mutacjami (Catalogue of Gene Symbols 2010 ). Dobrze poznane i szeroko wykorzystywane są markery funkcjonalne dla loci Pina-D1 i Pinb-D1 (Giroux i Morris 1997, Li i in. 2008); w programach hodowlanych najczęściej stosowany jest marker molekularny dla alellu Pinb-D1b związany z lepszą jakością i przemiałowością pszenicy (Chen i in. 2012). Należy jednak zaznaczyć, że oprócz czynników genetycznych, na kształtowanie się parametrów jakościowych duży wpływ wywiera również środowisko, oraz Strona 18 z 39

19 interakcja genotypowo-środowiskowa (Surma et al. 2012). Celem prowadzonych badań (publikacji nr 4) było określenie wpływu twardości ziarna na kształtowanie się parametrów reologicznych ciasta oraz wartości wypiekowych pszenicy. Badania oparte były zarówno na analizie czynników genetycznych, jak i środowiskowych; doświadczenia prowadzono w dwóch poziomach nawożenia w dwóch lokalizacjach. Twardość ziarna nie jest cechą jednoznacznie zdefiniowaną. Można ją sformułować jako właściwość wyrażającą się w odporności na odkształcania plastyczne i pęknięcia przy działaniu siły skupionej na powierzchnię (Leyko 1969). Techniki oznaczania twardości ziarna są bardzo różne: statyczne, do których zaliczyć można pomiar tak zwanej mikrotwardości, po metody dynamiczne, takie jak pomiar wskaźnika twardości pszenicy WHI (ang. wheat hardness index), PSI (ang. particle size index), PRI (ang. pearling resistance index) czy NIR (ang. near-infrared-reflectance) (m. in. Stenvart 1974, Gąsiorowski i Poliszko 1977, Martin i in. 2001). Złożoność budowy anatomicznej, struktury i własności mechanicznych poszczególnych części ziarna, oraz odmienność zasad, na których oparta jest ocena twardości są powodem znacznego zróżnicowania uzyskiwanych wyników (Obuchowski i in. 1981). W badaniach prezentowanych w publikacji nr 4 wykorzystano dwie dynamiczne metody oceny twardości ziarna (PSI oraz NIR), a stopień powiązania oceny twardości ziarna z określonymi wyróżnikami oceny technologicznej ziarna pszenicy był zróżnicowany. Uzupełnieniem prowadzonych badań były analizy z wykorzystaniem markerów molekularnych allelospecyficznych oraz mikrosatelitarnych. Zastosowano markery allelospecyficzne dla Pina oraz Pinb, a także markery mikrosatelitarne sprzężone z locus Ha (Xgwm190, Xgwm205, Xgwm358). Materiał do badań stanowił 24 genotypy pszenicy ozimej, które na podstawie przeprowadzonych analiz z wykorzystaniem techniki NIR oraz PSI zostały sklasyfikowane jako twarde, miękkie oraz pośrednie. Analizowano zależności między twardością ziarna określoną za pomocą parametru PSI oraz wykorzystując technikę NIR, a cechami jakościowymi oznaczonymi za pomocą farinografu i miksografu, a także parametrami określającymi wartość wypiekową. Uzyskane wyniki obliczono statystycznie stosując metody jedno- i wielowymiarowe. Wysokie wartości współczynnika NIR charakteryzowały genotypy o twardym ziarnie, natomiast wyższe wartości PSI wskazywały na ziarno miękkie. Stwierdzono, że wyższy poziom nawożenia azotem spowodował wzrost twardości ziarna. Przedstawione wyniki wskazywały, iż współczynnik korelacji pomiędzy parametrem NIR na obu poziomach nawożenia był istotnie dodatnio skorelowany z zawartością glutenu, liczbą sedymentacji, konsystencją, wodochłonnością, czasem stałości ciasta, miksograficznym indeksem jakości, czasem w fazie absorpcji wody, Strona 19 z 39

20 maksymalnym czasem rozwoju ciasta, szerokością końcową w fazie rozwoju ciasta i wydajnością chleba. Oznacza to, że selekcjonując genotypy pszenicy na podstawie wyższych wartości NIR można się spodziewać uzyskania form o polepszonych cechach wypiekowych. Ponadto stwierdzono, iż współczynniki korelacji między twardością ziarna (ustalonej przez obie metody pomiarów na dwóch poziomach nawożenia azotem) i badanych cech były istotne dla wartości sedymentacji, wydajności chleba oraz dwóch parametrów miksograficznych. Wyniki analiz molekularnych potwierdziły rezultaty otrzymane z wykorzystaniem metod fizycznych tylko w przypadku klasyfikacji ziarna miękkiego. W przypadku niektórych linii scharakteryzowanych z wykorzystaniem metod fizycznych jako twarde, stwierdzono występowanie dzikich alleli zarówno Pina jak i Pinb. Co więcej, biorąc pod uwagę podział linii wyłącznie na podstawie analiz molekularnych nie udało się wnioskować o różnicach w parametrach jakościowych. Uzyskane rezultaty wskazują, iż twardość ziarna jest kontrolowana nie tylko przez locus Ha ale również przez inne rejony genomu. Nasze wyniki są zgodne z badaniami prowadzonymi przez m.in. Turnera i in. (2004) i Tsilo i in. (2011), i sugerują, iż selekcja pszenicy o dobrych parametrach jakościowych tylko na podstawie markerów molekularnych związanych z locus Ha może być nieefektywna. VII. Lokalizacja QTL-i związanych z parametrami jakościowymi w populacji linii DH pszenicy ozimej oraz zbadanie interakcji pomiędzy loci Glu-1 oraz Glu-3 loci w aspekcie ich wpływu na kształtowanie się parametrów jakościowych Krystkowiak K., Langner M., Adamski T, Salmanowicz B.P., Kaczmarek Z., Krajewski P, Surma M. (2016). Interactions between Glu-1 and Glu-3 loci and associations of selected molecular markers with quality traits in winter wheat (Triticum aestivum L.) DH lines. J. Appl. Genet. (publikacja nr 7) Zdobyta wiedza skłoniła nas do kontynuowania badań dotyczących kształtowania się parametrów użytkowych u pszenicy. Zastosowano szerokie podejście obejmujące zarówno wykorzystanie markerów funkcjonalnych i losowych, jak również analizę QTL-i (publikacja nr 7). Materiał badawczy stanowiła populacja linii DH pszenicy ozimej wyprowadzona z form rodzicielskich zróżnicowanych w loci Glu-B1,Glu-D1, Glu-A3, Glu-B3 Glu-D3 oraz Pinb. Przeprowadzone analizy molekularne, z wykorzystaniem markerów allelospecyficznych Strona 20 z 39

21 dla loci Glu-1, pozwoliły wytypować do dalszych badań 60 linii DH podzielonych na cztery subpopulacje zróżnicowane pod względem składu HMW-GS. Celem prowadzonych badań była zarówno ocena zróżnicowania pomiędzy formami rodzicielskimi oraz liniami DH, jak również ocena efektów i stabilności wykrytych QTL-i w różnych środowiskach. Ponadto ważnym elementem przeprowadzonych badań było określenie interakcji pomiędzy loci Glu-1 oraz Glu-3 oraz określenie jej wpływu na parametry jakościowe. Fenotypowanie linii DH przeprowadzono na podstawie 4-letnich doświadczeń polowych, w których badano cechy plonotwórcze i jakościowe. W badaniach molekularnych wykorzystano markery mikrosatelitarne wybrane z istniejących map dla chromosomów 1A, 1B, 1D, 5A, 5B oraz 5D, które często są związane z QTL-ami dla cech jakościowych (Perretant i in. 2000, Arbelbide i Bernardo 2006). Dodatkowo wykorzystano również markery związane z parametrami technologicznymi z innych rejonów genomu pszenicy (Nelson i in. 2006, Kerfal i in. 2010). Zidentyfikowano 120 QTL-i dla dziewięciu analizowanych cech, wskazując na istotną interakcję środowiskową dla blisko 27% spośród nich; jednak ze względu na brak stabilności i zależność od środowiska nie mogą być one wykorzystywane w programach hodowlanych. Najwięcej istotnych związków marker cecha znaleziono na chromosomach 1D oraz 5D. Wskazuje to na duży wpływ genów zlokalizowanych w tych rejonach na kształtowanie się parametrów jakościowych, co jest zgodne z wcześniejszymi badaniami (Huang i in. 2006, Kerfal i in. 2010). Zwrócono również uwagę na ocenę interakcji pomiędzy loci Glu-1 oraz Glu-3 oraz jej wpływu na właściwości technologiczne. Wiadomo, że zarówno HMW-GS jak i LMW-GS odgrywają ważną rolę w kształtowaniu jakości pszenicy, dlatego też wiele wcześniejszych badań skupionych było na efektach zmienności alleli w obu loci Glu-1 oraz Glu-3. Zasadniczo zmienność alleliczna w loci Glu-1 ma większy wpływ na parametry jakościowe niż loci Glu-3 (Rodriguez-Quijano i in. 2000). Największy wpływ na kształtowanie się parametrów jakościowych wywiera locus Glu-D1, ponadto wielu autorów wykazało, iż największy efekt wywiera allel Glu-D1d (m. in. He i in. 2005). Huang i in. (2006) dowiedli pozytywny wpływ Glu-B1b na parametry jakościowe, a Jin i in. (2013) wykazali, że spośród Glu-3 allele Glu-A3e, Glu-B3b oraz Glu-D3c pozytywnie kształtują jakość pszenicy. Również interakcja pomiędzy Glu-1 i Glu-3 loci była stwierdzona we wcześniejszych badaniach (Liu i in. 2005, Jin i in. 2013), ale szczegółowa analiza oddziaływania pomiędzy loci w powiązaniu z jego wpływem na właściwości technologiczne nie była badana. Badania (publikacja nr 7) dowiodły, iż Glu-1 może znacząco modyfikować wpływ Glu-3, jak również Glu-3 może wpływać na efekt Glu-1. Uzyskane wyniki mogą być szczególnie istotne w powiązaniu z analizą QTL-i. Wykazano istotne efekty Strona 21 z 39

22 addytywne Glu-D1 dla siedmiu analizowanych cech (dla masy 1000 nasion, zawartości białka, zawartości skrobi, mokrego glutenu, wskaźnika sedymentacji Zelen ego, masy hektolitra oraz twardości ziarna). We wszystkich typach interakcji efekty te były stabilne i pozytywne. W przypadku Glu-B1 oraz Glu-B3 ich efekty addytywne były istotne odpowiednio dla trzech (dla zawartości białka, mokrego glutenu oraz wskaźnika sedymentacji Zelen ego) i dwóch cech (dla masy 1000 nasion oraz zawartości skrobi), stwierdzono jednak interakcję pomiędzy nimi a innymi loci dla prawie wszystkich analizowanych cech; zaobserwowano również, iż efekty loci Glu-B1 były zależne od locus Glu-3. Co więcej, efekty addytywne loci Glu-A3 oraz Glu-D3 były nieistotne dla wszystkich cech, lecz wykazano ich istotną interakcję z innymi loci. VIII. Określenie zmienności linii RIL w populacji pszenicy jarej w aspekcie odporności na FHB i kształtowania się cech plonotwórczych oraz poszukiwanie markerów molekularnych związanych z QTL-ami odporności na FHB w połączeniu z selekcją dla cech plonotwórczych Wiśniewska H., Surma M.,, Krystkowiak K., Adamski T., Kuczyńska A., Ogrodowicz P., Mikołajczak K., Lenc L., Baturo-Cieśniewska A., Łukanowski A., Kaczmarek Z., Krajewski P., Sawikowska A., Majka M., Góral T., Belter J., Sadowski C. (2016). Simultaneous selection for yieldrelated traits and susceptibility to Fusarium head blight in spring wheat RIL population. Breeding Science 66: (publikacja nr 6) W hodowli pszenicy dużą uwagę zwraca się na reakcję roślin na stresy abiotyczne i biotyczne limitujące zarówno plon rośliny, jak również jego jakość (Chakraborty i in. 2006, Buerstmayr i in. 2009). Dlatego też, kolejne badania dotyczyły stresów biotycznych; zwrócono uwagę na fuzariozę kłosów (FHB) wywoływaną przez grzyby z gatunku Fusarium culmorum oraz Fusarium graminearum (publikacja nr 6). Celem przeprowadzonych badań była ocena zmienności populacji wybranej populacji linii RIL pszenicy, wyprowadzonej z form rodzicielskich o umiarkowanej odporności, nie wnoszących genów głównych odporności na FHB, pod kątem odporności na fuzariozę kłosów (FHB III) oraz cech związanych z plonem. Fuzarioza jest jedną z najpoważniejszych chorób Strona 22 z 39

23 grzybowych pszenicy oraz innnych zbóż, a grzyby z rodzaju Fusarium są zaliczane do najważniejszych, a jednocześnie do najbardziej patogenicznych i toksynotwórczych gatunków grzybów chorobotwórczych. W ocenie odporności roślin na fuzariozę kłosów uwzględnia się kilka (I-V) typów (mechanizmów) odporności opisanych przez m.in. przez Mesterhazy ego (2002) czy Buersmayera i in. (2009). Odporność na grzyby z rodzaju Fusarium jest cechą ilościową, a lokalizacja QTL-i związanych z odpornością na fuzariozę kłosów jest przedmiotem wielu prac ostatniej dekady (Buerstmayr i in. 2009). Wiele wcześniejszych prac dowodzi, iż odpowiedź rośliny na infekcję jest zależna zarówno od cech morfologicznych, jak i cech związanych z rozwojem, takich jak wysokość rośliny, ościstość kłosa, zbitość kłosa, termin kwitnienia (m. in. Miedaner i in. 2006, Chrpova i in. 2011). Te dwie grupy cech mogą być warunkowane przez różne ściśle sprzężone geny/qtl-e lub być efektem plejotropowym (Buerstmayr i in. 2009). Selekcja genotypów odpornych jest trudna i kosztowna, dlatego też duże znaczenie przypisuje się analizom molekularnym, w tym analizie QTL-i; QTL-e dla różnych typów odporności na FHB zidentyfikowano na chromosomach 3A, 5A, 7A, 1B, 3B, 4B oraz 7B (Buerstmayr i in. 2009). W jarej odmianie pszenicy Sumai 3 zidentyfikowano główny QTL związany z odpornością na FHB, z którym sprzężone są dwa markery mikrosatelitarne Xgwm389 oraz Xgwm533, a marker Xgwm533 często jest definiowany jako marker diagnostyczny. Jednakże mimo licznych badań dotyczących dziedziczenia odporności na FHB, jedynie kilka markerów wydaje się być obiecujących dla hodowli (Buerstmayr i in. 2009). W opisanych w publikacji nr 6 eksperymentach, materiał badawczy stanowiła populacja linii RIL (198 linii) pszenicy jarej Saar Zebra wyprowadzonej techniką pojedynczego ziarna począwszy od pokolenia F 2 do F 8. Formy rodzicielskie różniły się pod względem ościstości kłosa oraz były zróżnicowane odpornością na mączniaka oraz rdzę brunatną. Obie formy charakteryzowały się ponadto umiarkowaną odpornością na FHB. Odporność na FHB, podobnie jak cechy plonotwórcze, jest cechą ilościową, dlatego też w prowadzonych przez nas badaniach założono, iż geny o mniejszych efektach mogą być rozproszone w genomach form wyjściowych. Zgodnie z formułami podanymi przez Mathera i Jinksa (1982) oraz Jinksa i Ponni ego (1976) można było oczekiwać, iż w potomstwie (liniach homozygotycznych) mogą wystąpić linie wykazujące efekt transgresji spowodowany asocjacją pożądanych genów, będącą efektem rekombinacji. Fenotypowanie linii RIL przeprowadzono na podstawie 3-letnich doświadczeń polowych, w których badano cechy plonotwórcze: masę 1000 nasion (TKW) oraz masę ziarna z kłosa (KWS), oraz stopień uszkodzenia ziarna: określany jako procent uszkodzonych nasion Strona 23 z 39

24 w stosunku do wagi (FDK1) i liczby nasion (FDK2). Wykazano szerokie zróżnicowanie w obrębie badanej populacji linii RIL pod względem stopnia odporności na FHB. Możliwe jest zatem wybranie segregantów/rekombinantów o zwiększonej odporności na FHB spośród potomstwa rodziców o podobnej, umiarkowanej odporności. Wykazano również, iż genotypy scharakteryzowane jako ościste odznaczały się niższą wartością FDK, oraz wyższą wartością TKW (zarówno w roślinach kontrolnych, jak porażonych). Przeprowadzone analizy wykazały również istotny wpływ środowiska na zmienność badanych genotypów. W badaniach wykorzystano również wcześniej opisane w literaturze markery mikrosatelitarne związane z QTL-ami odporności na FHB (Buerstmayr i in. 2009). Przeprowadzone analizy molekularne wykazały, iż w badanej populacji RIL markery Xgwm389, Xgwm533 oraz Xgwm46 związane były zarówno ze stopniem porażenia ziarna (FDK), jak i masą 1000 ziaren (TKW). Wskazuje to, iż możliwa jest markerowa selekcja genotypów odpornych na FHB w połączeniu z selekcją dla zwiększonego plonu. Jednak taka łączona selekcja może nie być zawsze efektywna ze względu na interakcję genotypowo-środowiskową. Istotny jest również wpływ grzybów z rodzaju Fusarium na obniżenie parametrów jakościowych ziarna pszenicy, co przekłada się na gorszą wartość wypiekową (Wang i in. 2005). Zapoczątkowane w ramach publikacji nr 6 badania, są ważnym wstępem do planowanych w przyszłości eksperymentów, zmierzających do kompleksowego podejścia do problemu jakości ziarna pszenicy, opartego zarówno o genetyczne podłoże cech jakościowych, poprzez ocenę wpływu długości okresu wegetacji, jak również odporność na fuzariozę kłosów. Strona 24 z 39