Pankin, Artem
(2016).
Reduced representation sequencing in barley (Hordeum vulgare L.): domestication genomics and rapid gene identification.
PhD thesis, Universität zu Köln.
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: |
Abstract | Language |
---|
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: |
Creators | Email | ORCID | ORCID Put Code |
---|
Pankin, Artem | pankin@mpipz.mpg.de | UNSPECIFIED | UNSPECIFIED |
|
URN: |
urn:nbn:de:hbz:38-67043 |
Date: |
January 2016 |
Language: |
English |
Faculty: |
Faculty of Mathematics and Natural Sciences |
Divisions: |
Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research |
Subjects: |
Natural sciences and mathematics |
Uncontrolled Keywords: |
Keywords | Language |
---|
barley, evolution, genetics, population genomics, flowering | UNSPECIFIED |
|
Date of oral exam: |
19 January 2016 |
Referee: |
Name | Academic Title |
---|
Coupland, George | Prof. Dr. |
|
Refereed: |
Yes |
URI: |
http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6704 |
Downloads per month over past year
Export
Actions (login required)
|
View Item |