Universität zu Köln

Identifying novel diagnostic SNP markers for potato (Solanum tuberosum L.) tuber starch and yield by association mapping

Schönhals, Elske Maria (2014) Identifying novel diagnostic SNP markers for potato (Solanum tuberosum L.) tuber starch and yield by association mapping. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The starch of potato (Solanum tuberosum L.) tubers is a renewable resource and an important component of multiple food and non-food products. Optimized starch yield, the product of tuber starch content and tuber yield, is therefore the central selection criterion in breeding programs for starch potatoes. The aim of this work was the detection of diagnostic single nucleotide polymorphism (SNP) markers for starch yield optimization by marker-assisted selection. A novel association mapping population of 282 potato genotypes formed the basis of this thesis. Within a collaborative project with breeders, this population was assembled and phenotyped in replicated field trials in Northern Spain for the starch yield determining traits tuber starch content, tuber yield, weight and number. The population was genotyped for known diagnostic PCR markers, SSR markers and novel SNPs in candidate genes, which were reported in the literature to have a function in starch or yield accumulation in potato or other organisms. In addition, three subpopulations were selected based on the highest (cases) and lowest (controls) trait values for tuber starch content, tuber yield and starch yield. Ninety varieties and breeding clones in total were genome-wide genotyped for 8,303 SNPs using the SolCAP Potato Array. SNPs with highly significantly different allele frequency between the case-control subpopulations for each trait were selected and genotyped in the entire population. Furthermore, the same case-control subpopulations were genotyped with next-generation RAD sequencing. Highly significant SNPs differing between cases and controls were analyzed for effects on the protein sequence and location in previously known candidate genes. Using a mixed linear model including population structure and kinship for association analysis, 21 diagnostic SNP markers and one insertion-deletion polymorphism were identified in candidate genes for tuber starch and yield-related traits. These associations resulted from the targeted candidate gene approach as well as from the genome wide case-control study by SolCAP Potato Array genotyping. A set of 430 novel and non-obvious candidate loci for tuber starch content, yield and starch yield was obtained from the RAD sequencing approach. Nine loci were detected in both genome-wide genotyping methods and are of special interest for further analysis. All three applied concepts resulted in the detection of novel marker-trait associations and candidate genes. This study shows the value of combining a knowledge-based association mapping approach with genome-wide discovery of polymorphisms as a tool for the detection of novel and non-obvious candidate genes and markers.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Kartoffelstärke ist ein nachwachsender Rohstoff und ein wichtiger Zusatzstoff in der Lebensmittelindustrie sowie ein Additiv in anderen Industriezweigen. Optimierter Stärkeertrag, das Produkt aus dem Stärkegehalt und dem Gesamtertrag der Knollen, ist daher das zentrale Selektionsmerkmal in Züchtungsprogrammen für Stärkekartoffeln. Das Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung von diagnostischen Single Nucleotide Polymorphism (SNP) Markern um die Marker-gestütze Selektion auf optimalen Stärkeertrag zu ermöglichen. Grundlage dieser Arbeit war eine neue Assoziationskartierungspopulation von 282 Kartoffel-Genotypen. Diese wurde im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Züchtern zusammengestellt und für Merkmale phänotypisiert, die den Stärkeertrag bestimmen, nämlich Stärkegehalt und Gesamtertrag der Knollen, sowie Knollen-Anzahl und Gewicht. Die Population wurde mit diagnostischen PCR Markern aus früheren Studien, SSR Markern und neuen SNPs aus Kandidatengenen, die in der Literatur beschrieben sind, genotypisiert. Zusätzlich wurden aus der Gesamtpopulation drei Subpopulationen zusammengestellt, die aus je zwei Gruppen von Genotypen mit den höchsten (Fälle) bzw. niedrigsten (Kontrollen) Werten für Knollenstärkegehalt, Ertrag und Stärkeertrag bestanden. Die insgesamt neunzig Sorten und Zuchtklone wurden mittels des genomweiten SolCAP Kartoffel SNP Array (8.303 SNPs) genotypisiert. SNPs mit hochsignifikant unterschiedlicher Allelhäuffigkeit zwischen den Fall- und Kontrollgruppen für das jeweilige Merkmal wurden in der Gesamtpopulation genotypisiert. Die gleichen Subpopulationen wurden darüber hinaus mittels Next-Generation RAD-Sequenzierung genotypisiert. Signifikante SNPs zwischen der Fall- und Kontrollgruppe wurden auf ihre Auswirkung auf die Proteinsequenz durch nicht synonyme SNPs sowie auf ihre Präsenz in bisher bekannten Kandidatengenen analysiert. Mit Hilfe eines linearen gemischten Modells, das Populationsstruktur und Verwandschaftsgrad berücksichtigte, wurden 21 diagnostische SNP Marker und ein Insertions-Deletions Polymorphismus für Knollenstärke- und Ertragsmerkmale identifiziert. Diese Assoziationen resultierten aus dem Kandidatengen-Ansatz sowie der genomweiten Genotypisierung anhand des SolCAP Kartoffel SNP Arrays. Mittels RAD Sequenzierung wurden 430 neue und nicht-offensichtliche Kandidatengene für Knollenstärkegehalt, Gesamtertrag und Stärkeertrag gefunden. Neun dieser Kandidatengene resultierten aus beiden genomweiten Genotypisierungsmethoden und sind von besonderem Interesse für weitere Analysen. Alle drei Konzepte dieser Arbeit führten zur Identifikation neuer Marker-Merkmal Assoziationen und Kandidatengene. Diese Studie zeigt, dass die Kombination eines wisssensbasierten Assoziationskartierungs-Ansatzes und genomweiter SNP Analyse in Fall-Kontroll-Studien einen wichtigen Beitrag zur Erkennung neuer, nicht-offensichtlicher Kandidatengene und Marker führt.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Schönhals, Elske Mariae.schoenhals@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-56457
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Agriculture
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    association mapping, potato, starch yield, candidate genes, SolCAP Potato SNP Array, RAD sequencingEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: July 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 28 May 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 29 Jul 2014 16:29:08
    Referee
    NameAcademic Title
    Gebhardt, ChristianePD Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5646

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