Using comparative transcript profiling and association mapping to detect QTLs and diagnostic SNP markers for maturity corrected resistance to Phytophthora infestans in potato (Solanum tuberosum L.)

Muktar, Meki Shehabu (2014). Using comparative transcript profiling and association mapping to detect QTLs and diagnostic SNP markers for maturity corrected resistance to Phytophthora infestans in potato (Solanum tuberosum L.). PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Late blight of potato (Solanum tuberosum L.) caused by the oomycete Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, is one of the most important bottlenecks of potato production worldwide. The disease could be better managed by using cultivars with high levels of quantitative or field resistance, which is mostly race non-specific and more durable than single R-gene mediated resistance. Breeding for quantitative resistance is however, a complex and challenging process and requires multiple year and location trials. In addition, it is hampered by a correlation between resistance and late maturity. This problem can be tackled by using diagnostic DNA markers, which enhance efficiency and precision of resistance breeding. The aim of this project was the identification of genes for quantitative resistance to P. infestans not compromised by late maturity and the discovery of diagnostic single nucleotide polymorphism (SNP) markers. To meet the objectives, the analysis of candidate genes and genome wide association (GWA) mapping of SNP markers were used. In the first approach, novel candidate genes that were differentially expressed in quantitative resistant versus susceptible potato genotype pools, were selected from transcriptome data generated using SuperSAGE (serial analysis of gene expression) analysis of nine samples comprising three genotype groups with different resistance levels and three infection time points. Twenty-two selected novel candidate genes were subjected to validation of differential expression by quantitative real time PCR (qRT-PCR) and allele specific pyrosequencing. Candidates showing reproducible transcriptional regulation in three independent infection experiments were tested for association with maturity corrected resistance (MCR) to late blight in a population of 184 tetraploid genotypes (CONQUEST2 population). Using mixed linear model (MLM) analysis including kinship and population structure, six novel candidate genes associated with late blight resistance not compromised by late maturity were identified. In the second approach, GWA mapping was conducted by scanning 8303 SNP markers distributed across the 12 potato chromosomes. The genotyping of the CONQUEST2 population was performed with the Illumina SolCAP SNP potato genotyping array and produced a total of 6286 informative bi-allelic SNPs. Approximately 5600 SNP markers could be used for association analysis. No or very weak relatedness and sub populations were detected in CONQUEST2 population. The proportion of pair wise r2 values > 0.1 (loci are in linkage disequilibrium: LD) and > 0.8 (loci are in strong LD) was only 1.57 % and 0.01%, respectively. The trendline of the nonlinear regression curve reached the threshold level for LD, r2 = 0.1, between 270 and 280 bps, showing a rapid LD decay in the potato genome. This fast LD decay implies that a large number of genome wide markers are required for detecting all quantitative trait loci (QTLs) in potato by GWA mapping. Nevertheless, genome wide marker-trait association analysis, with correction for kinship and population structure in a mixed linear model (MLM), identified few novel SNP markers associated with late blight resistance not compromised by late maturity. In conclusion, comparative transcript profiling combined with association mapping can be used for the detection of novel late blight QTLs and diagnostic SNP markers that can be used in marker-assisted resistance breeding. The SolCAP potato genotyping array is a useful but limited tool in identification of diagnostic SNP markers for agronomic traits in potato.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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Die Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel (Solanum tuberosum L.), verursacht durch den Oomyzeten Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, ist weltweit eines der wichtigsten Probleme im Kartoffelanbau. Die Krankheit könnte besser beherrscht werden durch den Anbau von Sorten mit hoher quantitativer oder Feldresistenz, die überwiegend Rassen-unspezifisch ist und eine längere Lebensdauer hat als die durch einzelne R-Gene vermittelte Resistenz. Die Züchtung auf quantitative Resistenz ist jedoch komplex und schwierig und erfordert mehrjährige Feldversuche, die zusätzlich erschwert wird durch die Korrelation zwischen Resistenz und später Reifezeit. Eine mögliche Lösung dieses Problems sind diagnostische DNA Marker, welche Effizienz und Präzision der Resistenzzüchtung erhöhen. Ziel dieses Projekts war die Identifizierung von Genen für quantitative Resistenz gegen P. infestans ohne Beeinträchtigung durch späte Reifezeit, sowie die Entdeckung von diagnostischen ‚single nucleotide polymorphism‘ (SNP) Markern. Um diese Ziele zu erreichen, wurde die Analyse von Kandidatengenen und die genomweite Assoziationskartierung (GWA) von SNP Markern verwendet. Im ersten Ansatz wurden neue Kandidatengene ausgewählt, die in Gruppen von quantitativ resistenten bzw. anfälligen Kartoffel-Genotypen differenziell exprimiert waren. Die Auswahl erfolgte auf der Basis von Transkriptom-Daten, die mittels SuperSAGE (‚serial analysis of gene expression‘) Analyse von neun Proben, bestehend aus drei Genotyp Gruppen mit unterschiedlicher Resistenz und drei Infektionszeitpunkten, erhalten worden waren. Die differentielle Expression von zweiundzwanzig der ausgewählten neuen Kandidatengene wurde mittels quantitativer ‚real time‘ PCR (qRT-PCR) und allelspezifischer Pyrosequenzierung überprüft. Kandidaten, deren transkriptionelle Regulation in drei unabhängigen Infektionsexperimenten reproduzierbar war, wurden auf Assoziation mit reifekorrigierter Krautfäuleresistenz (‚maturity corrected resistance‘: MCR) in einer Population von 184 tetraploiden Genotypen (CONQUEST2 Population) geprüft. Mit Hilfe eines gemischt linearen Modells (MLM) unter Berücksichtigung von Verwandtschaft und Populationsstruktur wurden sechs neue Kandidatengene identifiziert, die mit Krautfäuleresistenz ohne Beeinträchtigung durch späte Reifezeit assoziiert sind. Im zweiten Ansatz wurde eine GWA Kartierung durchgeführt mit Hilfe von 8303 SNP Markern, die über die zwölf Kartoffelchromosomen verteilt waren. Die Genotypisierung der CONQUEST2 Population erfolgte mit dem ‚Illumina SolCAP potato genotyping array‘ und ergab 6286 informative, bi-allelische SNP Marker, von denen etwa 5600 für die Assoziationsanalyse verwendbar waren. In der CONQUEST2 Population wurde keine oder nur sehr schwache Verwandschaft und Populationsstruktur gefunden. Der Anteil von paarweisen r2 Werten > 0.1 (zwei Loci befinden sich im Kopplungsungleichgewicht, ‚linkage disequilibrium: LD) und > 0.8 (Loci befinden sich in sehr starkem LD) betrug nur 1.57% bzw. 0.01%. Die Trendlinie der nichtlinearen Regressionskurve erreichte den LD Grenzwert r2 = 0.1 zwischen 270 und 280 Basenpaaren. Dies zeigte, dass LD im Kartoffelgenom mit dem physikalischen Abstand rasch abnimmt. Diese rasche LD Abnahme bedeutet, dass eine große Zahl genomweiter Marker erforderlich ist, um alle ‚quantitative trait loci‘ (QTL) mittels GWA zu erfassen. Nichtsdestotrotz identifizierte die genomweite Marker-Merkmal Assoziationsanalyse, unter Verwendung von MLM mit einer Korrektur für Verwandtschaft und Populationsstruktur, einige neue SNP Marker, die mit Krautfäuleresistenz ohne Beeinträchtigung durch späte Reifezeit assoziiert sind. Schlussfolgerung: Die vergleichende Analyse von Transkriptmengen in Kombination mit Assoziationskartierung kann für die Identifizierung von neuen QTLs und von diagnostischen SNP Markern verwendet werden, die für eine Marker-gestützte Resistenzzüchtung genutzt werden können. Der ‚SolCAP potato genotyping array‘ ist ein nützliches, aber auch begrenztes Instrument für die Identifizierung von SNP Markern, die für agromische Merkmale der Kartoffel diagnostisch sind.

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