Genetic Dissection and Prediction of Complex Traits in Barley and Festulolium Grasses

TY - BOOK

T1 - Genetic Dissection and Prediction of Complex Traits in Barley and Festulolium Grasses

AU - Bjarup Hansen, Pernille

PY - 2020/7/19

Y1 - 2020/7/19

N2 - Rødder er planters primære organ med hensyn til optag af vand og næringsstoffer, som er strengt kontrolleret af rodsystemets arkitektur. Det er foreslået at planter med dybe rødder er mere tolerante overfor tørke. Komplekse interagerende genetiske veje kontrollerer rodsy-stemets arkitekturegenskaber. Disse veje består af hormoner, hormonelle receptorer, transkriptionsfaktorer og signalkomponenter. Rodudviklingens plasticitet kan være en es-sential faktor i forhold til et stabilt udbytte under stress. Når en bedre forståelse af disse gener og veje er opnået, kan denne bruges til at forbedre planteforædling. Dog skal de ud-fordringer som ligger i at fænotype rodegenskaber i Festulolium-græsser stadig overkom-mes, før gener og markører involveret i rodegenskaber kan identificeres. Her viser vi hvor-dan gener og genomisk forudsigelsesmodeller kan identificeres på baggrund af succesfulde fænotypiske metoder i Festulolium-græsser og byg. I Radimax faciliteten blev byg udsat for mild tørkestress, og fire overjordiske egenskaber blev målt. Genomisk, transkriptomisk og methyleringsdata blev indsamlet under tørken. Effekten af den milde tørke blev under-søgt via differential genekspressionsanalyse og en mæglingsanalyse sammen med DNA methylering. Alle tre omics blev implementeret i Bayesian multi-omics forudsigelsesmodel-ler, med henblik på at undersøge de forskellige omics styrker i modellering, og forudsigelse af egenskabernes ydeevne under tørke og kontrollerede betingelser. At inkludere alle tre omics i forudsigelsesmodellerne var den bedste løsningfor alle egenskaber, de forskellige omics ikke tilføjede deres fulde potentiale til modellerne på grund af covarians. Distribue-ringen af den forklarede varians viser at frøudbyttet og kvælstofoptag var anderledes i for-hold til omics og miljø sammenlignet med tusind-frø-vægt og frø-kerne protein indhold. I Festulolium græsser, blev et rhizorør eksperiment udført, som tillod både fænotypiske må-linger og prøveudtagening til RNA fra rodspidserne. I de lineære miksede modeller blev egenskaber beskrevet med hensyn til populationens struktur ved at bruge en genetisk slægt-skabsmatrice og principielle komponenter. Modeller afslørede at rodpenetreringsrate og ro-dintensitet i det øverste muldlag var meget arvbare. Ekstraheret RNA fra rodspidser blev analyseret ved brug af ’ Weighted Gene Co-expression Network Analysis’, som viste indtil flere significante moduler forbundet med rodudvkiling og abiotisk stress. Både rodpenetre-ringsrate og rodintensitet er ikke bestemt af abiotisk stress gener, men kun af rodud-viklingsgener.Den seminale rodvinkel og -nummer blev også undersøgt i byg ved at bruge klar-potte me-toden. Her identificerede ’Bayesian Variable Selection’ to signifikante og tre foreslåede markører relateret til seminal rodnummer. Disse egenskaber antages at være forløberer for roddybde og tørketolerance. Alle fem markører matcher kendte QTL ’hotspots’ fra diverse rodegenskaber. Resultaterne præsenteret i denne afhandling demonstrerer de forskellige omic niveaupotentialler indenfor genomisk forudsigelse i byg og Festulolium-græsser. Det forventes at de identificerede QTL’er og gener vil danne udgangspunkt for implementerin-gen af rodegenskaber i planteforædling med henblik på at forædle afgrøder med dybere rødder og højere tørke tolerance. Integration af multi-omics niveauer i genomisk forudsigel-ser og dissektion antages at blive brugt mere i fremtiden for at kunne brødføde verden i 2050.

AB - Rødder er planters primære organ med hensyn til optag af vand og næringsstoffer, som er strengt kontrolleret af rodsystemets arkitektur. Det er foreslået at planter med dybe rødder er mere tolerante overfor tørke. Komplekse interagerende genetiske veje kontrollerer rodsy-stemets arkitekturegenskaber. Disse veje består af hormoner, hormonelle receptorer, transkriptionsfaktorer og signalkomponenter. Rodudviklingens plasticitet kan være en es-sential faktor i forhold til et stabilt udbytte under stress. Når en bedre forståelse af disse gener og veje er opnået, kan denne bruges til at forbedre planteforædling. Dog skal de ud-fordringer som ligger i at fænotype rodegenskaber i Festulolium-græsser stadig overkom-mes, før gener og markører involveret i rodegenskaber kan identificeres. Her viser vi hvor-dan gener og genomisk forudsigelsesmodeller kan identificeres på baggrund af succesfulde fænotypiske metoder i Festulolium-græsser og byg. I Radimax faciliteten blev byg udsat for mild tørkestress, og fire overjordiske egenskaber blev målt. Genomisk, transkriptomisk og methyleringsdata blev indsamlet under tørken. Effekten af den milde tørke blev under-søgt via differential genekspressionsanalyse og en mæglingsanalyse sammen med DNA methylering. Alle tre omics blev implementeret i Bayesian multi-omics forudsigelsesmodel-ler, med henblik på at undersøge de forskellige omics styrker i modellering, og forudsigelse af egenskabernes ydeevne under tørke og kontrollerede betingelser. At inkludere alle tre omics i forudsigelsesmodellerne var den bedste løsningfor alle egenskaber, de forskellige omics ikke tilføjede deres fulde potentiale til modellerne på grund af covarians. Distribue-ringen af den forklarede varians viser at frøudbyttet og kvælstofoptag var anderledes i for-hold til omics og miljø sammenlignet med tusind-frø-vægt og frø-kerne protein indhold. I Festulolium græsser, blev et rhizorør eksperiment udført, som tillod både fænotypiske må-linger og prøveudtagening til RNA fra rodspidserne. I de lineære miksede modeller blev egenskaber beskrevet med hensyn til populationens struktur ved at bruge en genetisk slægt-skabsmatrice og principielle komponenter. Modeller afslørede at rodpenetreringsrate og ro-dintensitet i det øverste muldlag var meget arvbare. Ekstraheret RNA fra rodspidser blev analyseret ved brug af ’ Weighted Gene Co-expression Network Analysis’, som viste indtil flere significante moduler forbundet med rodudvkiling og abiotisk stress. Både rodpenetre-ringsrate og rodintensitet er ikke bestemt af abiotisk stress gener, men kun af rodud-viklingsgener.Den seminale rodvinkel og -nummer blev også undersøgt i byg ved at bruge klar-potte me-toden. Her identificerede ’Bayesian Variable Selection’ to signifikante og tre foreslåede markører relateret til seminal rodnummer. Disse egenskaber antages at være forløberer for roddybde og tørketolerance. Alle fem markører matcher kendte QTL ’hotspots’ fra diverse rodegenskaber. Resultaterne præsenteret i denne afhandling demonstrerer de forskellige omic niveaupotentialler indenfor genomisk forudsigelse i byg og Festulolium-græsser. Det forventes at de identificerede QTL’er og gener vil danne udgangspunkt for implementerin-gen af rodegenskaber i planteforædling med henblik på at forædle afgrøder med dybere rødder og højere tørke tolerance. Integration af multi-omics niveauer i genomisk forudsigel-ser og dissektion antages at blive brugt mere i fremtiden for at kunne brødføde verden i 2050.

M3 - Ph.D. thesis

BT - Genetic Dissection and Prediction of Complex Traits in Barley and Festulolium Grasses

PB - Århus Universitet

CY - Aarhus

ER -