Deep root phenotyping and haplotype allele frequency analysis in barley (Hordeum vulgare L.) evolved from long – term selection trial under conventional and organic cropping system
Yükleniyor...
Tarih
2020
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
The challenge of producing cultivars that will be productive given lesser amount of inputs, withstand changing climate condition and have higher ability for a more efficient extraction of soil resources led to the renewed interest in improving plant root system as a key strategy for plant stability under climate instability. To date, root architectural and anatomical variations of an evolving plant population particularly under conventional and organic cropping system still remains unexplored. For this study, BC2F23 barley population previously derived from a common founder population but evolved from long-term selection trial under 2 different agro-ecological systems: organic and conventional management system were considered for shoot and root phenotyping and molecular evaluations. Three-hundred barley genotypes were selected from this population and were grown under field and hydroponics conditions. The study aims to evaluate the shoot and root phenotypic variations and subsequently to identify the degree of variability on allele frequency based on the identified causative QTL's/gene that explained variation for root morphology in two groups of barley population. Results obtained shows that after more than 20 years of judicious selection in 2 differing management systems, the two barley population were able to produce variable root architectural and anatomical response when grown under uniform growing condition. Barley lines evolved under organic management system are characterized to have longer but narrower root system, higher root surface area, and root mass density, has thinner root size but possess high number of metaxylem vessels. Comparatively, those evolved under conventional cropping system tend to have shorter and broader roots system, bigger root volume and had thicker root size as result of bigger root tissues but has lesser number of metaxylem vessels. Furthermore, multivariate analysis and the subsequent haplotype allele frequency of ISR 42-8 (wild-type parent) analysis on the 14 identified QTLs/genes also confirms the variations existed between the two groups. Lines selected under organic management systems shows substantial increase of the favorable allele from the first generation (BC2F23) to the currently studied population (BC2F23) as compared to those under conventionally managed lines. The consistent increase of favorable alleles from the superior wild-type parent observed among lines in the organic group could provide greater possibilities for adaptation and better equip these plants to grow and survive more successfully under stressful growing condition. Finally, determining the effect of several years of selection under these two different cropping systems on adaptive changes in plant root systems offers great potential in breeding specifically for organic and low-input cropping system that has not been achieved in breeding so far.
Daha az miktarda girdi ile verimli olacak çeşitler üretmenin zorluğu, değişen iklim koşullarına dayanabilir ve toprak kaynaklarının daha verimli bir şekilde çıkarılması için daha yüksek kabiliyete sahip olacak, iklim altında bitki stabilitesi için temel bir strateji olarak bitki kök sisteminin iyileştirilmesine olan ilginin yenilenmesine yol açmıştır. Bugüne kadar, özellikle geleneksel ve organik ürün yetiştirme sistemi koşullarına gelişen bitki popülasyonunun kök yapısı ve anatomik varyasyonları hala keşfedilmemiş durumda. Bu çalışma için, BC2F23 arpa popülasyonu daha önce ortak bir kurucu popülasyondan türetilmiş, ancak 2 farklı agro-ekolojik sistem altında uzun vadeli seçim denemesinden gelişmiştir: sürgün ve kök fenotipleme ve moleküler değerlendirmeler için organik ve geleneksel yönetim sistemi dikkate alınmıştır. Bu popülasyondan üç yüz arpa genotipi seçilmiş ve tarla ve hidroponik koşullar altında yetiştirilmiştir. Çalışma, sürgün ve kök fenotipik varyasyonlarını değerlendirmeyi ve ardından, iki grup arpa popülasyonunda kök morfolojisi için varyasyonu açıklayan tanımlanmış nedensel QTL / genine dayalı olarak alel frekansı üzerindeki değişkenlik derecesini belirlemeyi amaçlamaktadır. Elde edilen sonuçlar, 2 farklı yönetim sisteminde 20 yıldan fazla akıllı seçimden sonra, iki arpa popülasyonunun, tek tip büyüme koşulu altında büyüdüğünde değişken kök mimari ve anatomik yanıt üretebildiğini göstermektedir. Organik yönetim sistemi altında gelişen arpa hatları, daha uzun fakat daha dar kök sistemine, daha yüksek kök yüzey alanına ve kök kütle yoğunluğuna sahip, daha ince kök boyutuna sahip, ancak çok sayıda metaksilem damarına sahip olma özelliğine sahiptir. Nispeten, geleneksel kırpma sistemi altında evrimleşenler, daha kısa ve daha geniş kök sistemine, daha büyük kök hacmine ve daha büyük kök dokularının bir sonucu olarak daha kalın kök boyutuna sahip olma eğilimindedir, ancak daha az sayıda metaksem damarına sahiptir. Ayrıca, çok değişkenli analiz ve izleyen haplotip alel frekansı ISR 42-8 (vahşi tip ebeveyn) analizi, 14 tanımlanan QTL / gen üzerinde ayrıca iki grup arasında var olan varyasyonları doğrular. Organik yönetim sistemleri altında seçilen hatlar, geleneksel olarak yönetilen hatlar altındakilere kıyasla, birinci nesilden (BC2F23) halihazırda çalışılan popülasyona (BC2F23) uygun alelde önemli bir artış göstermektedir. Organik gruptaki soylar arasında gözlemlenen üstün yabani tip ebeveynden olumlu alellerin tutarlı artışı, adaptasyon için daha büyük olanaklar sağlayabilir ve bu bitkileri büyümek ve stresli büyüme koşulu altında daha başarılı bir şekilde hayatta kalmaları için daha iyi donatabilir. Son olarak, bu iki farklı kırpma sistemi altında birkaç yıllık seçimin bitki kök sistemlerindeki adaptif değişiklikler üzerindeki etkisinin belirlenmesi, ıslahta, şu ana kadar ıslahta elde edilemeyen, özellikle organik ve düşük girdili mahsul sistemi için büyük bir potansiyel sunmaktadır.
Daha az miktarda girdi ile verimli olacak çeşitler üretmenin zorluğu, değişen iklim koşullarına dayanabilir ve toprak kaynaklarının daha verimli bir şekilde çıkarılması için daha yüksek kabiliyete sahip olacak, iklim altında bitki stabilitesi için temel bir strateji olarak bitki kök sisteminin iyileştirilmesine olan ilginin yenilenmesine yol açmıştır. Bugüne kadar, özellikle geleneksel ve organik ürün yetiştirme sistemi koşullarına gelişen bitki popülasyonunun kök yapısı ve anatomik varyasyonları hala keşfedilmemiş durumda. Bu çalışma için, BC2F23 arpa popülasyonu daha önce ortak bir kurucu popülasyondan türetilmiş, ancak 2 farklı agro-ekolojik sistem altında uzun vadeli seçim denemesinden gelişmiştir: sürgün ve kök fenotipleme ve moleküler değerlendirmeler için organik ve geleneksel yönetim sistemi dikkate alınmıştır. Bu popülasyondan üç yüz arpa genotipi seçilmiş ve tarla ve hidroponik koşullar altında yetiştirilmiştir. Çalışma, sürgün ve kök fenotipik varyasyonlarını değerlendirmeyi ve ardından, iki grup arpa popülasyonunda kök morfolojisi için varyasyonu açıklayan tanımlanmış nedensel QTL / genine dayalı olarak alel frekansı üzerindeki değişkenlik derecesini belirlemeyi amaçlamaktadır. Elde edilen sonuçlar, 2 farklı yönetim sisteminde 20 yıldan fazla akıllı seçimden sonra, iki arpa popülasyonunun, tek tip büyüme koşulu altında büyüdüğünde değişken kök mimari ve anatomik yanıt üretebildiğini göstermektedir. Organik yönetim sistemi altında gelişen arpa hatları, daha uzun fakat daha dar kök sistemine, daha yüksek kök yüzey alanına ve kök kütle yoğunluğuna sahip, daha ince kök boyutuna sahip, ancak çok sayıda metaksilem damarına sahip olma özelliğine sahiptir. Nispeten, geleneksel kırpma sistemi altında evrimleşenler, daha kısa ve daha geniş kök sistemine, daha büyük kök hacmine ve daha büyük kök dokularının bir sonucu olarak daha kalın kök boyutuna sahip olma eğilimindedir, ancak daha az sayıda metaksem damarına sahiptir. Ayrıca, çok değişkenli analiz ve izleyen haplotip alel frekansı ISR 42-8 (vahşi tip ebeveyn) analizi, 14 tanımlanan QTL / gen üzerinde ayrıca iki grup arasında var olan varyasyonları doğrular. Organik yönetim sistemleri altında seçilen hatlar, geleneksel olarak yönetilen hatlar altındakilere kıyasla, birinci nesilden (BC2F23) halihazırda çalışılan popülasyona (BC2F23) uygun alelde önemli bir artış göstermektedir. Organik gruptaki soylar arasında gözlemlenen üstün yabani tip ebeveynden olumlu alellerin tutarlı artışı, adaptasyon için daha büyük olanaklar sağlayabilir ve bu bitkileri büyümek ve stresli büyüme koşulu altında daha başarılı bir şekilde hayatta kalmaları için daha iyi donatabilir. Son olarak, bu iki farklı kırpma sistemi altında birkaç yıllık seçimin bitki kök sistemlerindeki adaptif değişiklikler üzerindeki etkisinin belirlenmesi, ıslahta, şu ana kadar ıslahta elde edilemeyen, özellikle organik ve düşük girdili mahsul sistemi için büyük bir potansiyel sunmaktadır.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Barley, Roots, Long-Term Selection Trial, Conventional And Organic Cropping Systems, Allele Frequency, Arpa, Kökler, Uzun Süreli Seçim Denemesi, Geleneksel Ve Organik Bitki Yetiştirme Sistemleri, Alel Frekansı
