Rye doubled haploids : production and use in mapping studies

Abstract

Teija Tenhola-Roininen kehitti väitöskirjatyössään rukiin jalostusta helpottavia työkaluja rukiin laadun parantamiseksi ja suomalaisiin olosuhteisiin sopeutuneiden uusien ruislajikkeiden kehittämiseksi. Näiden työkalujen, ns. DNA-merkkien avulla voidaan valita lyhytkortisia ja korkean sakoluvun omaavia eli tähkäidännänkestäviä rukiita jalostusaineistosta.Rukiinviljely on vähentynyt Suomessa erityisesti huonojen satojen ja alentuneiden EU-tukien myötä. Tästä syystä yli puolet rukiista tuodaan ulkomailta. Suurin osa suomalaisessa ruisleivässä käytettävästä ruisjauhosta on siis ulkomaista alkuperää.Viljelijöille ruis on riskialtis vilja, koska sen laatu riippuu sääolosuhteista. Syksyllä kylvettävää syysruista vaurioittaa talvella lumihome. Satokauden aikana syyskesällä rankat sateet lakoonnuttavat pitkää ruista ja edistävät tähkässä tapahtuvaa jyvien itämistä eli tähkäidäntää ennen sadonkorjuuta. Tästä syystä ruista on pyritty jalostamaan lyhytkortisemmaksi.Leipomoteollisuus käyttää rukiin leivonnan yhtenä laatukriteerinä sakolukua, joka kertoo kuinka paljon jyvän tärkkelystä on pilkkoutunut sokereiksi, mikä näkyy jyvien itämisenä. Mitä enemmän tärkkelys on pilkkoutunut, sitä alhaisempi on sakoluku.Tenhola-Roinisen väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli ponsiviljelyllä tuotettujen kaksoishaploidien kasvien avulla koota rukiin geenikartta, löytää rukiinjalostuksen valintaa avittavat DNA-merkit lyhytkortisuudelle ja tähkäidännänkestävyydelle ja löytää tähkäidäntään vaikuttavat geenialueet.Ponsiviljelyllä tuotetut rukiin kaksoishaploidit kasvit sisältävät ponnen siitepölyhiukkasen yksinkertaisen perimän kahdentuneena, mikä tarkoittaa että siitepölyhiukkasen yksinkertainen kromosomisto on kopioitunut. Nämä kasvit helpottavat rukiin perimän tutkimusta, koska mikään rukiin ominaisuus ei jää toisen ominaisuuden varjoon. Luonnossa ruis on ristipölytteinen, mikä vaikeuttaa piilossa olevien ominaisuuksien havainnointia.Ponsiviljely voi tuottaa myös täysin albiinoja kasveja, joilla ei ole viherhiukkasia. Vihreiden kasvien määrää pyrittiin lisäämään erilaisilla stressikäsittelyillä. Sekä tähkien kylmä- että ponsien lämpökäsittely, joko yhdessä tai erikseen, lisäsivät vihreiden kasvien määrää joissain ruislajikkeista tai –linjoissa. Tähkien kolmen viikon kylmäkäsittely neljässä asteessa näytti tuottavan eniten vihreitä kasveja.Ponsiviljelyllä tuotetut kasvit olivat huonolaatuisia ja niiden kuolleisuus oli korkea. Kasveista yli kymmenen prosenttia oli käyttökelpoisia tutkimus- ja jalostustarpeisiin, mikä on huomioitava suunniteltaessa rukiin kaksoishaploidien hyödyntämistä tutkimuksissa. Tätä DNA-merkkiä testataan jo rukiinjalostuksessa.Tenhola-Roininen käytti ensimmäistä kertaa maailmassa rukiin kaksoishaploideja geenikartan laatimisessa. Geenikartta koostui yhteensä 281 DNA-merkistä, jotka olivat jakautuneet rukiin kaikkiin seitsemään kromosomiin.Kaksoishaploidien avulla löydettiin yksi tähkäidäntään liittyvä geenialue rukiin kromosomista 5R. Tällä alueella sijaitsevia DNA-merkkejä voidaan käyttää jalostusaineiston valintamerkkeinä etsittäessä tähkäidännänkestävää ruista.Lyhytkortisen rukiin jalostuksessa ongelmana ovat olleet seuraavassa sukupolvessa ilmentyneet pitkäkortiset rukiit. Näiden puhdistukseen haluttiin löytää työkalu helpottamaan valintaa. Tenhola-Roininen löysi yhden DNA-merkin, joka selvästi liittyi pituuteen. Merkki sijaitsi riittävän lähellä (virhemahdollisuus 13 %) rukiin lyhytkortisuusgeeniä kromosomissa 5R.

The aim of this research was to find DNA markers linked to the gene affectingdwarfism (Ddw1) and the gene(s) controlling pre-harvest sprouting resistance inrye using homozygous doubled haploid plants. Two different rye populationswere established, one segregating for short straw and the other for pre-harvestsprouting. The former used doubled haploid parents and the latter doubledhaploid progeny. The anther culture technique, incorporating cold and heatstress treatments, was optimized to improve embryo induction and green plantregeneration. In general, cold pre-treatment was beneficial for all cultivars andlines tested. A combination of cold and heat treatments increased regenerationin some breeding lines not tested previously, but did not improve antherculture response of the most recalcitrant cultivars.The best DNA marker for Ddw1 was a combination of the microsatelliteREMS1218 and the SNP marker created from it, located 13 cM from the QTL forplant height.The first linkage map of rye using doubled haploids was constructed. Themap comprised 281 loci, with a total length of 747 cM, and all the seven ryechromosomes were recognized. α-Amylase activity correlates negatively withfalling number, which determines the sprouting damage in rye. One major QTLaffecting α-amylase activity was found on chromosome 5RL, and was located atthe microsatellite loci SCM74, RMS1115, and SCM77. These new DNA markerscan be used in marker-assisted selection for the short-straw growth habit andpre-harvest sprouting resistance in rye breeding