Universität zu Köln

Reduced representation sequencing in barley (Hordeum vulgare L.): domestication genomics and rapid gene identification

Pankin, Artem (2016) Reduced representation sequencing in barley (Hordeum vulgare L.): domestication genomics and rapid gene identification. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Recent advances in barley genomics made it feasible to explore genetic diversity in a large- genome cereal and its wild relative on an unprecedented scale. Reduction of the barley genome complexity by reduced representation sequencing is a cost-efficient approach to survey genetic diversity in multiple genotypes in the context of adaptation and domestication. Moreover, reduced representation sequencing generates genome-wide panels of polymorphisms, thus enabling the application of mapping-by-sequencing approaches in cereals, which has been gaining ground as a rapid method to fine-map candidate genes underlying agronomic traits. In the first part of this study, I focused on understanding the genetic architecture of the barley domestication syndrome and underlying processes modulating diversity in wild and domesticated forms. To this end, I interrogated ~330,000 SNPs in a set of 433 diverse wild and cultivated barley genotypes using a custom designed reduced representation sequencing assay. The SNPs originated from ~ 12,800 loci, enriched for homologs of flowering time, of meristem and inflorescence development, and of domestication-related genes. The diversity analysis identified an unexpectedly high rate of admixture in both wild and domesticated forms, with the latter case predominantly restricted to the landrace genotypes. I found evidence of a severe domestication bottleneck resulting in loss of genetic diversity and maintenance of extended haplotype blocks in strong linkage disequilibrium. Selection scans identified multiple targets of selection related to the crucial domestication syndrome traits. For examples, several tests identified a sweep that occurred around the genes involved in the non-brittle rachis phenotype. The signatures of selection were found in the homologs of genes implicated in the regulation of photoperiodic flowering, gibberellin synthesis and seed dormancy. This map of barley genetic variation will inform future evolutionary and genome-wide association studies and support the advancement of barley breeding. In the second chapter, I employed another reduced representation sequencing approach, the whole-exome sequencing, in combination with the mapping-by-sequencing algorithm. Using this toolbox, I identified the red/far-red light photoreceptor HvPHYTOCHROME C (HvPHYC), carrying a mutation in a conserved region of the GAF domain, as a candidate underlying the early maturity 5 (eam5) locus in barley. I fine-mapped the gene using the SHOREmap algorithm applied on the whole-exome capture data from bulked early flowering segregants derived from a backcross of the Bowman(eam5) 5introgression line. Phytochromes play an important role in light signaling and photoperiodic control of flowering time in plants. Here, I show that the eam5 interacts with the photoperiod response gene PHOTOPERIOD-H1 (Ppd-H1) to accelerate flowering under non-inductive short days. The results accompanying my study suggest that HvPHYC participates in the transmission of light signals to the circadian clock and thus modulates light-dependent processes such as photoperiodic regulation of flowering. The diversity analysis indicates enrichment of the HvPHYC-eam5 allele in barley cultivars from Japan despite the strong effect of this mutation on the barley clock. This invites further research into comparing physiological effects and the overall significance of the circadian clock on plant adaptation.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die jüngsten Fortschritte in der Gerstengenomik erlauben nun die umfassende Analyse der grossen Genome der kultivierten Gerste und ihrer Wildform. Die Reduktion der Genomkomplexität durch sogenanntes „reduced representation sequencing“ (RRS) bietet eine kosteneffiziente Möglichkeit, die Veränderung der genetischen Diversität während der Anpassung und Domestizierung von Gerste nach zuvollziehen. Ausserdem generiert das RRS genomweite Diversitätsmuster, die die Anwendung der „mapping-by-sequencing“-Strategie als schnelle Methode zur Feinkartierung von Kandidatengenen für agronomische Merkmale auch in Getreidearten erlauben. Im ersten Teil dieser Arbeit beschäftigte ich mich mit der genetischen Architektur des Gersten-Domestizierungssyndroms und mit den Prozessen, die zur Modulation der genetischen Diversität in Wild- und Kulturgersten beigetragen haben. Dazu untersuchte ich mit Hilfe eines selbst entwickelten RRS-Assays ~330,000 Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) in einem Diversitätsset von 433 Wild- und Kulturgerstengenotypen. Die so identifizierten SNPs stammten von ~12,800 genetischen Loci, die speziell für Homologe von Blühzeit-, Meristem- und Infloreszenzentwicklungs-, sowie Domestizierungsgenen angereichert waren. Die Diversitätsanalysen zeigten eine unerwartet hohe Rate an genetischer Durchmischung von Wild- und Kulturgersten, vor allem zwischen Wildgerste und kultivierten Landrassen. Die Analyse deutete auf einen starken genetischen Flaschenhals während der Domestikation hin, der zur Erosion genetischer Diversität und Konservierung großer Haplotypenblöcke mit starkem Kopplungsungleichgewicht führte. Selektionstests deuteten vor allem auf eine gezielte Selektion genetischer Loci hin, die zur Regulation entscheidender Domestikationsmerkmale beitragen. So zeigten verschiedene Tests beispielsweise eine lokale, selektionsbedingte genetische Erosion („selektive sweeps“) in unmittelbarer Nähe von Genen, die die Ährenbrüchigkeit regulieren. Signaturen für Selektion wurden ausserdem in Homologen von Genen identifiziert, die die photoperiodeabhängigen Blüte, die Gibberellinsynthese oder Samendormanz regulieren. Diese genomweiten Diversitätsmuster können zukünftig in Evolutions- und genomweiter Assoziationsstudien eingesetzt werden und zum Fortschritt in der Gerstenzüchtung beitragen. Im zweiten Kapitel der Arbeit, verfolgte ich eine Kombination aus RRS mittels vollständiger Exomsequenzierung und der mapping-by-sequencing Methode. Mit Hilfe dieser Strategie konnte ich den Rotlicht-Photoerzeptor HvPHYTOCHROME C (HvPHYC) mit einer Mutation in einer konservierten Region der GAF-Proteindomäne als Kandidatengen des early 7maturity 5 (eam5) Lokus von Gerste identifizieren. Die Feinkartierung des Gens erfolge mit dem SHOREmap Algorithmus, der auf die Exomsequenzdaten gepoolter frühblühender Segreganten der rückgekreuzten Bowman(eam5)-Introgressionslinie angewandt wurde. Phytochrome sind ein wichtiger Bestandteil der lichtabhängigen Signalwege in Pflanzen und regulieren den Blühzeitpunkt in Abhängigkeit von der Photoperiode. Meine Daten deuten darauf hin, dass eam5 mit dem PHOTOPERIODE-H1 (Ppd-H1) interagiert und zur Beschleunigung der Blüte unter nicht-induktiven Kurztagsbedingungen beiträgt. Des Weiteren implizieren meine Ergebnisse eine Beteiligung von HvPHYC an der Transmission von Lichtsignalen zur zirkadianen Uhr und somit an der Modulation lichtabhängiger Prozesse, wie zum Beispiel die Photoperiode abhängige Regulation des Blühzeitpunktes. Trotz des starken Effekts des HvPHYC-eam5 Allels auf die zirkadiane Uhr, deutet die genetische Diversitätsanalyse auf eine Anreicherung dieser Mutation in japanischen Kulturgersten hin. Diese Ergebnisse legen eine weitere Erforschung der physiologischen Funktion der zirkadianen Uhr und ihrer Bedeutung für die Anpassung von Gerste nahe.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Pankin, Artempankin@mpipz.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-67043
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    barley, evolution, genetics, population genomics, floweringUNSPECIFIED
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: January 2016
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 19 January 2016
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 25 Jan 2017 11:42:46
    Referee
    NameAcademic Title
    Coupland, GeorgeProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6704

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