selectia asistatĂ de markeri moleculari ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte...

34
UNIVERSITATEA DE STIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ CLUJ NAPOCA SCOALA DOCTORALA FACULTATEA DE AGRICULTURĂ Biolog DANA M. BOTA (CURTICIU) SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI PENTRU REZISTENŢA GRÂULUI COMUN (TRITICUM AESTIVUM) LA SEPTORIOZĂ (SEPTORIA TRITICI) (REZUMAT AL TEZEI DE DOCTORAT) CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC Prof. Univ. Dr. CONSTANTIN BOTEZ CLUJ-NAPOCA 2010

Upload: others

Post on 03-Mar-2020

13 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

UNIVERSITATEA DE STIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂ

VETERINARĂ CLUJ NAPOCA

SCOALA DOCTORALA

FACULTATEA DE AGRICULTURĂ

Biolog DANA M. BOTA (CURTICIU)

SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI

MOLECULARI PENTRU REZISTENŢA GRÂULUI

COMUN (TRITICUM AESTIVUM) LA

SEPTORIOZĂ (SEPTORIA TRITICI)

(REZUMAT AL TEZEI DE DOCTORAT)

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC

Prof. Univ. Dr. CONSTANTIN BOTEZ

CLUJ-NAPOCA

2010

Page 2: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

3

CUPRINS

INTRODUCERE ............................................................................................................................ 3

CAPITOLUL I ................................................................................................................................ 4

1.1. Agentul patogen şi simptomele bolii ................................................................................. 4

1.2. Metode de combatere a bolilor .......................................................................................... 6

1.3. Determinismul genetic al rezistenţei grâului la septorioză ............................................. 7

CAPITOLUL II .............................................................................................................................. 7

2.1. Clasificarea şi caracteristicile markerilor moleculari .................................................... 7

2.2 Aplicaţiile markerilor moleculari în ameliorarea plantelor ............................................ 8

CAPITOLUL III ............................................................................................................................. 9

3.1. Selecţia asistată de markeri ............................................................................................... 9

3.2. Atribuirea markerilor genelor de interes ......................................................................... 9

CAPITOLUL IV ............................................................................................................................. 9

4.1. Scopul si obiectivele tezei de doctorat .............................................................................. 9

4.2. Materialul biologic utilizat ............................................................................................. 10

4.3. Metode de lucru ................................................................................................................ 10 4.3.1. Izolarea si cuantificarea ADN-ului ............................................................................. 10

4.3.2. Amplificarea ADN-ului cu ajutorul markerilor RAPD ............................................... 10

4.3.3. Amplificarea ADN-ului cu ajutorul markerilor SSR .................................................. 10

4.3.4. Electroforeza fragmentelor de ADN .......................................................................... 11

4.3.5. Preluarea şi analiza imaginilor .................................................................................... 11

4.3.6. Menţinerea, multiplicarea şi conservarea sporilor de Septoria tritici ......................... 11

4.3.7. Metoda Bulk Segregant Analysis ................................................................................ 11

4.3.8. Clonarea ADN-ului din benzile polimorfe .................................................................. 11

4.3.9. Obţinerea materialului segregant F2 în urma hibridării formelor parentale ................ 12

CAPITOLUL V ............................................................................................................................. 12

5.1. Rezultate privind izolarea ADN-ului .............................................................................. 12

5.2. Rezultate privind selecţia pentru rezistenţa grâului la septorioză utilizând tehnica

SSR ............................................................................................................................................ 12

5.2.1 Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile parentale ............................... 12

5.2.2. Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile dihaploide .............................. 15

5.3. Rezultate privind atribuirea markerilor moleculari RAPD genelor de rezistenţă pe

baza cosegregării ..................................................................................................................... 16

5.3.1 Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile parentale ................................ 16

5.3.2. Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile dihaploide ............................. 16

5.4. Rezultate privind atribuirea markerilor moleculari RAPD genelor de rezistenţă pe

baza metodei BSA .................................................................................................................... 17

5.4.1. Obţinerea materialului hibrid ...................................................................................... 17

5.4.3. Atribuirea markerilor moleculari RAPD genelor de rezistenta la Septoria tritici pe

baza metodei BSA ................................................................................................................. 17

5.4.4. Stabilirea relaţiilor de linkage dintre markeri RAPD atribuiţi genelor de rezistenţă şi

genele de rezistenţă la STB ................................................................................................... 18

5.5. Rezultate preliminare privind clonarea produşilor de amplificare ............................ 19

CONCLUZII ................................................................................................................................. 20

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ ................................................................................................... 21

Page 3: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

3

INTRODUCERE

În cadrul acestei teze de doctoat ne-am propus studierea cu ajutorul tehnicilor de biologie

moleculară, mai ales cu ajutorul markerilor moleculari, a polimorfismului molecular la nivel de

ADN în scopul identificării unor markeri asociaţi cu genele de rezistenţă la septorioză. În

principal s-a realizat testarea markerilor moleculari RAPD (Random Amplified Polymorphic

DNA) şi a markerilor microsatelitici SSR (Simple Sequence Repeat) pentru realizarea selecţiei

asistate de markeri pentru rezistenţa grâului comun (Triticum aestivum) la septorioză.

Grâul este una din cele mai vechi plante de cultură, are o importanţă alimentară deosebită

şi are cea mai largă răspândire pe glob, ocupând circa 90% din suprafaţa mondială cultivată cu

cereale. Această cereală este atacată de numeroase boli dintre care una din cele mai importante

este septorioza, produsă de agentul fitopatogen Mycosphaerella graminicola. În ţara noastră

această boală poate produce, în anii cu toamne şi primăveri ploioase, pagube ce pot ajunge la 10-

15% din producţia de grâu. Interesul faţă de acest agent patogen a fost stimulat de preocuparea

cultivatorilor şi a oamenilor de ştiintă din zonele geografice cu cele mai mari suprafeţe cultivate

cu acestă cereală, unde focarele bolii sunt capabile să reducă randamentul culturilor pană la 30-

40% (Eyal et al., 1987).

Ca metode de combatere ale acestei boli se pot utiliza cultivare rezistente, efectuarea

controlului chimic şi aplicarea practicilor agricole. Una dintre metodele de combatere a bolilor

larg răspândite este combaterea chimică, dar utilizarea fungicidelor este legată şi de o serie de

dezavantaje care nu pot fi trecute cu vederea:

sunt costisitoare, producerea lor necesitând cantităţi importante de materii prime şi un

consum ridicat de energie;

tratamentele chimice trebuie repetate în fiecare an, iar în cazul unor boli de mai multe ori

pe an; unele sunt fitotoxice faţă de unele soiuri ale ale aceleiaşi culturi, etc.

În prezent, în numeroase tări se execută lucrări ample de ameliorare a rezistenţei plantelor

la bolile care se transmit prin seminţe.

Cercetările noastre s-au desfaşurat pe durata a trei ani, 2006-2009, perioadă în care am

efectuat experimente atât în campul experimental, cât şi în laborator.

Departamentul de Genetică şi Ameliorarea Plantelor al USAMV Cluj-Napoca, unde mi-

am desfăşurat activitatea are o bună colaborare cu Instututul National de Cercetare - Dezvoltare

Agricola (INCDA) Fundulea, institut ce ne-a pus la dispozitie materialul biologic necesar

realizării acestui studiu. O parte din rezultate prezentate în acesta teza au fost publicate de mine

şi de catre conducatorul meu de doctorat sub forma de articole (Botez et al., 2007; Botez et al.,

2009; Dana Curticiu et al., 2009), precum şi sub forma de postere (Botez et al., 2008; Dana

Curticiu et al., 2008; Dana Curticiu et al., 2007).

Pentru realizarea acestui proiect am avut ca suport financiar proiectul CEEX cu titlul

„Construirea unei noi baze genetice pentru cerealele viitorului” şi grantul CNCSIS tip TD, pe

care l-am castigat în anul 2008. În timpul programului de doctorat am beneficiat de o bursă

Socrates-Erasmus la Universitatea din Copenhaga, Facultatea de Ştiinte ale Vieţii, unde, sub

îndrumarea profesorului Sven B. Anderson şi a profesorului asociat Anna Maria Torp am avut

oportunitatea de a-mi îmbunatăţi cunoştinţele teoretice şi practice în domeniul geneticii

moleculare.

Doresc sa adresez mulţumirile cuvenite tuturor care, direct sau indirect, prin sugestiile

oferite au contribuit la finalizarea acestei teze. Pe tot parcursul efectuarii acestei lucrări am

beneficiat de sprijinul permanent al domnului profesor dr. Constantin Botez, conducătorul

ştiinţific al tezei de doctorat, căruia ii aduc, pe acesta cale, cele mai sincere mulţumiri pentru

îndrumarea activităţii mele ştiintifice.

Cu acesta ocazie adresez multumiri conducerii Universităţii de Ştiinţe Agricole şi

Page 4: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

4

Medicină Veterinară Cluj–Napoca, conducerii Facultăţii de Agricultură şi colectivului de la

disciplina de Genetică şi Ameliorarea Plantelor pentru asigurarea cadrului academic ştiintific în

care mi-am desfăşurat activitatea pe parcursul anilor de studiu.

Multumesc domnului dr. Nicolae N. Saulescu de la INCDA Fundulea şi doamnei dr.

Rozalia Kadar de la SCDA Turda pentru punerea la dispoziţie a materialului biologic necesar în

experimentele noastre.

Doresc să le mulţumesc colegilor de doctorat: Daniela, Erika, Laura, Raluca, Ioana C.,

Ileana, Stefana, Carmen, Francesca, Ioana P., Tiberia, Alex, Moumen, Paul R. şi Cristi, pentru

sprijinul şi ajutorul acordat. Le multumesc, de asemenea, colegilor de master: Oana şi Paul.

Nu în ultimul rând ţin să mulţumesc familiei, sotului meu şi prietenilor pentru sprijinul

moral şi material, pentru susţinerea şi înţelegerea pe care mi-au acordat-o pe parcursul acestor

ani de studiu.

CAPITOLUL I

1.1. Agentul patogen şi simptomele bolii

Introducere

Septorioza grâului este produsă de mai multe specii ale genului Septoria, dintre care două

sunt mai răspândite: Septoria tritici şi Septoria nodorum. Septoriozele grâului sunt larg

răspândite în toate ţările cultivatoare de cereale păioase, cauzând boli foliare a grâului (figura 1),

ce au un impact mare asupra producţiei de grâu (Eyal, 1999). Amelioratorii urmăresc crearea

unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă

largă de medii de viaţă. Necesitatea rezistenţei durabile este o prioritate pentru amelioratori,

deoarece ameliorarea culturilor pentru a obţine o productivitate ridicată şi stabilă, este practic

imposibil de făcut la cultivare de grâu ce nu prezintă rezistenţă la cele mai importante boli.

Agentul patogen

Agentul fitopatogen, Septoria tritici este o ciupercă bipolară heterotalică (Kema et al.,

1996) care produce septorioza, fiind una din cele mai periculoase boli a grâului comun,

producând importante pierderi economice. În ţara noastră, septorioza apare în fiecare an,

producând pagube mai mari când condiţiile atmosferice favorizează o apariţie timpurie a ei

(Alexandrii et al., 1969).

În România, în prezent, cele mai cultivate soiuri de grâu sunt mai mult sau mai putin

predispuse la Septoria tritici, prin urmare rezistenţa la acest agent patogen este o prioritate în

programele de ameliorare (Mincu, 1999). În ciuda importanţei economice, baza moleculară a

virulenţei şi patogenitatea agentului fitopatogen, nu sunt complet înţelese (Palmer & Skinner,

2002). Ascomicetele care rareori produc spori sexuaţi, sunt cunoscute sub numele dat de

înmultirea asexuată, care este complet diferit de numele dat de înmulţirea sexuată. În cazul

nostru, agentul patogen se înmulţeste atât pe cale sexuată - stadiul pefect sau telomorf, cât şi

asexuată - stadiu imperfect sau anamorf, infecţiile primare fiind iniţiate în principal de ascospori

produsi în pseudotecii (Agrios, 1997).

Procesul de infectie

Sursele primare de inoculul, în ciclul bolii, sunt ascosporii purtaţi de vânt şi

picnidiosporii purtaţi de stropii de ploaie, proveniţi din resturile de plante infectate sau din

seminţele infectate. Ascosporii şi picnidiosporii sunt eliberaşi în condiţii de umiditate ridicată,

ascosporii fiind eliberati din pseudotecile mature pe tot parcursul anului (Palmer & Skinner,

2002). Picnidiosporii pot fi transportaţi vertical de către stropii de ploaie, de la baza plantei spre

frunzele superioare, sau orizontal, spre frunzele din jur. Intervalele lungi fară ploi pot limita

dispersia sporilor, atât pe vertical, cât şi pe orizontal (Eyal et al., 1987).

Page 5: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

5

Atacul începe mai întâi pe frunzele de la baza plantei şi apoi treptat pe cele superioare;

când atacul este puternic (pete numeroase), frunzele se uscă de timpuriu, începând cu cele de la

bază; plantele atacate se dezvoltă slab, se maturează forţat şi dau o producţie de boabe inferioară

cantitativ şi calitativ. Atacul se manifestă sub forma unor pete mici, mai puţin evidente, cu puţine

picnidii (Alexandrii et al.,1969). Odată ajunsă pe frunze, ciuperca colonizează mezofilul,

neproducând haustorii; în condiţii optime de temperatură şi umiditate, patogenul produce cloroza

şi necroza ţesutului plantei atacate (Dancer et al., 1999; Kema et al., 1996). Viteza de distrugere

a ţesutului atacat (10 zile de la inoculare), precum şi faptul că celulele plantei sunt afectate, fară

prezenţa miceliului, sugerează faptul că ar putea exista unii compuşi toxici solubili implicaţi în

interactiunea grâu-agent patogen. Cu toate acestea, nici un compus biologic activ, nu a fost izolat

(Eyal, 1999).

Perioada de incubaţie (până la apariţia petelor) este relativ scăzută (6-7 zile), pe când

perioada de fructificare (până la formarea picnidiilor) este de 11-15 zile. Agentul patogen

infectează mai frecvent şi mai puternic limbul (Sivanesan, 1990), mai rar şi mai slab tecile

frunzelor, tulpinile şi spicele, infecţie observaţă doar în condiţii optime de dezvoltare a bolii, în

condiţii naturale (Jones & Cooke, 1969; Brokenshire, 1975; Brokenshire, 1976).

Simptomele bolii

În condiţii optime pe frunzele plantelor tinere se observă pete ovale sau de formă

neregulată, la început de culoare verde pal, apoi brună. Pe frunzele plantelor mai dezvoltate, pe

partea superioară şi mai ales pe cea inferioară, apar pete asemănătoare, dispuse de-a lungul şi

între nervurile frunzei. Petele cresc repede şi i-au o formă alungită, eliptică; uneori se prezintă ca

dungi longitudinale şi au o culoare brună deschis(figura 1-B).Cu timpul, ţesutul din dreptul

petelor se uscă şi se deschide la culoare, mai ales în centrul petei, devenind cenuşiu-albicios,

rămânând înconjurat de o margine brună deschis sau brună-cenuşie. Petele de pe frunze au o

lungime de câţiva milimetrii până la 1 cm.

Fig. 1. Atac de Septoria tritici pe frunze de grâu

A. sursa: http://www.omafra.gov.on.ca/french/crops/facts/90-008f4.jpg

B. sursa: http://www.freefoto.com/images/07/45/07_45_66-Wheat_web.jpg

C. sursa: http://www.ksre.ksu.edu/library/plant2/EP133.pdf

D. sursa:http://www.hgca.com/hgca/wde/IMAGES/Septoria%202.JPG

Într-o fază mai avansată a bolii, la suprafaţa petelor apar picnidiile, cufundate uşor în

epidermă, care se văd ca nişte puncte mici, negricioase, dispuse în rânduri paralele de-a lungul

nervurilor (figura 1-A). Boala se transmite de la un an la altul prin resturile de plante atacate

(frunze, tulpini, plevi), astfel ciuperca se poate menţine în viaţă în condiţii nefavorabile o

A

C

B

D

Page 6: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

6

perioadă de timp mai îndelungată (mai mult de 1 an) sub formă de miceliu şi de conidii în

picnidii.

După semănat, în cursul germinării boabelor de grâu, ciuperca trece de pe boabele

contaminate de anul trecut pe plantele tinere ieşite din acestea (figura 2), pe care le infectează

(infecţie germinală). În urma infecţiilor de toamnă, boala apare pe frunzele de grâu prin

simptomele descrise. În frunzele de grâu, miceliul ciupercii rămâne activ chiar la temperaturi

foarte scăzute.

Fig. 2. Ciclul de viată al agentului patogen Septoria tritici

(sursa:http://www.hgca.com/minisite_manager.output/3619/3619/Cereal%20Disease%20Encycl

opedia/Diseases/Septoria%20Leaf%20Blotch.mspx?minisiteId=26)

În timpul primăverii şi al verii, ciuperca se înmulţeşte şi se răspândeşte prin picnospori,

care infectează plantele şi produc mai multe serii de infecţii secundare. În afară de grâu, agentul

patogen S. tritici atacă şi culturile de secară, orz şi diferite plante de nutreţ (sp. de Poa, Bromus,

etc.), dar neproducând pagube însemnate (Ao&Griffiths, 1976).

1.2. Metode de combatere a bolilor

Impactul economic al acestui agent patogen cu privire la productivitatea şi calitatea

culturii de grâu a devenit tot mai pronunţat datorită rezistenţei medii sau scăzute a cultivarelor

existente. Distribuţia acestui patogen este dependentă de practicile agricole aplicate, de exemplu

rotaţia culturilor este un factor cheie care afectează obţinerea de viitoare culturi de grâu, de

calitate şi cu o productivitate ridicată (Cook & Veseth, 1991).

Cercetătorii recomandă efectuarea rotaţiei corespunzătoare a culturilor, în combinaţie cu

alte practici agricole pentru a reduce severitatea bolilor, cum ar fi aratul (King et al., 1983),

îndepărtarea şi arderea resturilor vegetale de la cultura precedentă, etc. (Eyal et al., 1987). Pe

langă folosirea de cultivare ce prezintă rezistenţă la boli, se poate apela şi la combatea chimică

prin utilizarea fungicidelor. O varietate de fungicide sunt recomandate şi folosite pentru controlul

septoriozei: Bravo 500 SC, Artea 330 EC, Prosaro 250 EC, Falcon 460 EC, etc.

Combaterea integrată reprezintă combinarea tuturor metodelor de combatere menţionate

mai sus, cu o serie de măsuri agrofitotehnice care au drept scop reducerea la minimum a ratei de

îmulţire a paraziţilor şi întărirea capacităţii de dezvoltare a plantelor şi implicit a rezistenţei

Pseudotecile şi

picnidiile se dezvoltă

producând leziuni

Formele de rezistenţă sunt miceliul, picnidii

si pseudotecii rămase pe resturile plantelor

Toamna şi primăvara

cerealele sunt

infectate prin

ascosporii purtaţi de

vânt

Picnidii

Picnidiile ajung pe plante

prin intermediul

picăturilor de ploaie

Peritecii

Ascospori

Page 7: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

7

naturale a acestora.

Aplicarea tuturor masurilor de igienă culturală, ca de exemplu: îngroparea resturilor

vegetale care au ramas după strânsul paielor şi cocenilor, menţinerea curată a terenului pentru

lucrări corespunzatoare în intervalul de la aratura de vară pană la însămânţare, combaterea

buruienilor în tot cursul vegetaţiei stânjenesc dezvoltarea bolillor (Ceapoiu et al., 1983).

1.3. Determinismul genetic al rezistenţei grâului la septorioză

În ultimii ani s-au facut progrese în ceea ce priveşte nivelul de rezistenţă a grâului la STB

(Septoria trititci blotch), mai mulţi factori influenţând acest progres: creşterea patogenului în

cultură fiind lentă, nevoia de condiţii speciale de mediu pentru efectuarea infecţiilor, precum şi

greutatea întâmpinată la evaluarea simptomelor la plantele infectate (Goodwin et al., 2007).

Gena Stb1 denumită de Wilson în 1985, a fost identificată la cultivarul Bulgaria 88 de

către Rillo si Calswell (1966); genele Stb2 şi Stb3 au fost descoperite în Australia de către

Wilson (1985) la cultivarul Veranopolis şi Israel 493. Gena Stb4 a fost descoperită la cultivarul

Tadorna de Somasco şi colaboratorii în anul 1996, iar gena Stb8 a fost descoperite la varietatea

Synthetic W7984, fiind cartate pe cromozomii 5BL, 3BS, 6DS, 7DS, respectiv 7BL. Aceste gene

au fost identificate prin infecţie naturală, probabil dintr-un amestec de genotipuri patogene. Gena

Stb1 a fost introdusă la cultivarul roşu de iarnă Indiana, Oasis şi Sullivan (Patterson et al., 1975,

1979), această genă a conferit rezistenţa la septorioză în statul Indiana, precum şi în alte părţi ale

vestului Statelor Unite. Gena Stb4 a fost introdusă în California la cultivarul Tadinia şi a conferit

rezistenţa o perioadă de 15 ani (Somasco et al., 1996), dar în anul 2000 acest cultivar nu a mai

fost rezistent şi acum este considerat un cultivarele ce a incorporata aceasta gena sunt

considerate sensibile la septorioză (Jackson et al., 2000).

Celelalte gene: Stb5 (Arraiano et al. 2001b), Stb6 (Brading et al. 2002), Stb7(McCartney

et al. 2003), Stb8 (Adhikari et al. 2003), Stb10, Stb11, Stb12 (Chartrain et al. 2005a, 2005b) şi

Stb15 (Arraiano et al. 2007) au fost identificate la varietăţile: Sinthetic 6x, Flame Hereward,

Estanzuela Federal, graul sintetic W7984, Kavkaz-K4500, TE911, Kavkaz-K4500, respectiv

Arina fiind cartate pe cromozomii 7DS, 3AS, 4AL, 1D, 1BS, 4AL si 6AS (Goodwin et al.,

2007). Distribuţia acestor gene este pe 10 cromozomi ai grâului, aproximativ egală în genomul

A, B şi D .

CAPITOLUL II

2.1. Clasificarea şi caracteristicile markerilor moleculari

Markerii genetici reprezintă forme diferite ale aceleiaşi gene care controlează expresii

fenotipice mutante şi permit identificarea prezenţei unei gene la nivel individual. Markerii

genetici se bazează pe polimorfismul genei la nivelul expresiei fenotipice în relaţie cu condiţiile

de mediu. Există trei tipuri de markeri genetici: morfologici , biochimici şi moleculari Markerii

moleculari sunt cei mai utilizaţi datorită numărului lor nelimitat, aceştia provenind din diferite

tipuri de mutaţii ale ADN-ului: substituţii (mutaţii punctiforme), rearanjamente (inserţii sau

deleţii) sau erori în replicarea ADN-ului în tandem. Aceşti markeri sunt neutrii deoarece sunt

localizaţi în regiuni necodate a ADN-ului, de asemenea, markerii moleculari sunt practic în

număr nelimitat şi nu sunt influenţaţi de condiţiile de mediu sau de stadiul de dezvoltare al

plantelor (Winter & Kahl, 1995). Avantajele şi dezavantajele principalelor tipuri de markeri

moleculari sunt prezentate în tabelul 1.

Page 8: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

8

Tabel 1.

Avantajele şi dezavantajele celor mai utilizaţi markeri moleculari pentru analiza QTL

(după Collard et all., 2005)

Marker molecular

Codominant- C

Dominant -D

Avantaje

Dezavantaje

RFLP (Restriction

fragment Length

Polymorphism)

C Reproductibilitate

Necesită mult timp

Metodă complexă

Necesită cantităţi

mari de ADN

RAPD (Random

Amplified

Polymorphic

DNA)

D

Metodă rapidă si

simplă

Ieftină

Necesită cantitati

mici de ADN

Metodă

nereproductibilă

SSR (Simple

Sequences Repeat) C

Metodă simplă

Repetabilitate

Necesită mult timp

Metodă complexă

Necesită folosirea

gelurilor de

poliacrilamidă

AFLP (Amplified

fragment Length

Polymorphism)

D Polimorfism ridicat

Necesită cantităţi

mari de ADN

Metodă complexă

Markerii moleculari pot fi clasificaţi în trei clase în functie de metoda lor de detecţie:

(A) markeri moleculari bazaţi pe hibridizare,

(B) markeri moleculari bazaţi pe PCR,

(C) markeri moleculari bazaţi pe secvenţa ADN.

2.2 Aplicaţiile markerilor moleculari în ameliorarea plantelor

În ameliorarea convenţională, rezultatele şi viteza de răspuns obţinute prin aplicarea

selecţiei fenotipice au depins, pe lângă alţi factori, de posibilitatea de a distinge şi capitaliza

variaţiile genetice ţinând cont de faptul că cele mai importante caractere sunt poligenice şi deci

puternic influenţate de mediu. Între modalităţile folosite, de mare interes s-a dovedit posibilitatea

de a identifica caractere fenotipice evidente, cu determinism genetic simplu şi puţin influenţate

de mediu, care să fie asociate cu caractere importante urmărite de ameliorator. Aceste caractere,

numite gene marcatoare sau markeri genetici, au fost folosite de ameliorarea convenţională acolo

unde a fost posibil, pentru a îmbunătăţii eficienţa programelor de ameliorare.

Identificarea unei noi clase de markeri genetici, respectiv a markerilor moleculari,

reprezintă un adevărat eveniment revoluţionar în metodologia de ameliorare a plantelor.

Strategia utilizării markerilor moleculari se bazează pe evidenţierea polimorfismului molecular,

polimorfism care la genomurile plantelor este datorat, în mare parte, variaţiei cantităţii de ADN

repetitiv. Cele mai importante aplicaţii ale markerilor moleculari în ameliorarea plantelor sunt

reprezentate de selecţia asistată de markeri, accelerarea backcrossului, detectarea diversităţii şi

diferenţelor genetice dintre diferite populaţii.

Page 9: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

9

CAPITOLUL III

3.1. Selecţia asistată de markeri

Markerii moleculari care sunt strâns linkaţi cu gene importante în sens agronomic sunt

folosiţi ca instrumente moleculare pentru selecţia asistată de markeri în ameliorarea plantelor

(Ribaut & Hoisington, 1998). Cu ajutorul markerilor moleculari se urmăreşte efectuarea unei

selecţii indirecte a caracterelor de interes folosind strânsa legatură (linkage-ul) dintre gena sau

genele care controlează caracterul şi un marker molecular, metodă ce poartă numele de selecţie

asistată de markeri (MAS - Marker Assisted Selection).

Selecţia asistată de markeri constă în identificarea unei legaturi strânse între genele care

controlează caractere agronomice şi markeri moleculari, precum şi utilizarea acestor markeri

pentru a îmbunătaţi linii sau cultivare (Dudley, 1993). Genele sunt moştenite împreună, iar prin

prezenţa uneia (gena marker, la care este cunoscută secvenţa de nucleotide) se confirmă că şi

cealaltă genă ce determină caracterul dorit este prezentă în acel individ.

3.2. Atribuirea markerilor genelor de interes

Pentru a putea fi folositi în munca de selecţie, markerii trebuie să fie atribuiţi genelor de

interes, acest lucru se face prin trei metode:

1. Cosegregare - prin analiza relaţiei de linkage dintre marker şi gena de interes, mai intâi

markerul trebuie asociat genei de interés, iar apoi se face analiza de linkage: dacă distanţa dintre

marker şi genă este mică, markerul se atribuie genei respective.

2. Utilizarea liniilor NIL (Near Izogenic Lines) - obtinute prin metoda backross care constă

în încrucişarea unui soi recurent cu un soi donor. În continuare se face selecţia formelor care

poartă gena de la donor şi care se retroîncrucişează în continuare cu recurentul. Se obţine o linie

NIL asemănătoare cu recurentul, dar care poartă gena de la donor. Urmează a se face o

caracterizare moleculară atât a soiului recurent, cât şi a liniei NIL. Dacă prin analiza fingerprint-

urilor de la soiul recurent şi linia NIL se evidenţiază un polimorfism se poate presupune că

markerul molecular ce defineşte acest polimorfism poate fi atribut genei provenite de la donor.

3. Prin utilizarea metodei BSA (Bulk Segregant Analysis)- metodă ce presupune alegerea a

două forme parentale extreme: una rezistentă şi una sensibilă la care s-au dovedit a fi polimorfe

la nivel molecular (Michelmore et al., 1991). Acestea se hibridează, şi în gen F2 segregantă se

face o grupare a indivizilor sensibili şi rezistenţi. Se face extracţia ADN-ului şi în cadrul fiecărei

grupe se amestecă. Urmează amplificarea ADN-ului şi analiza polimorfismului molecular: dacă

între cele două grupe apare un polimorfism molecular (o bandă în plus) la forma rezistentă

înseamnă că markerul molecular respectiv poate fi atribuit genei pentru care s-a făcut selecţia.

Acest sistem funcţionează numai dacă gena pentru care se face selecţia este în faza de cuplare cu

markerul molecular.

CAPITOLUL IV

4.1. Scopul si obiectivele tezei de doctorat

Scopul principal al cercetărilor noastre se referă la testarea şi obţinerea de noi markeri

moleculari în vederea selecţiei asistate de markeri moleculari pentru rezistenţa grâului comun

(Triticum aestivum) la septorioză (Septoria tritici). Utilizarea markerilor moleculari pentru

selecţie oferă avantajul că aceştia nu sunt influenţaţi de condiţiile de mediu, fiind indiferenţi de

expresia genică. În condiţiile în care s-au stabilit relaţii de înlănţuire strânsă între markeri şi

genele de interes se poate face o selecţie indirectă pe bază de markeri vizând ameliorarea

Page 10: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

10

caracterului dorit.

Primul obiectiv al acestui proiect este testarea unor markeri de tip microsatelit SSR în

vederea selecţiei pentru rezistenţa grâului la septorioză. Al doilea obiectiv este atribuirea

markerilor moleculari RAPD pe baza cosegregarii. Al treilea obiectiv este atribuirea markerilor

moleculari RAPD pe baza metodei Bulk Segregant Analysis.

Al patrulea obiectiv se refera la clonarea benzilor polimorfe, atribuite genelor de

rezistenta, in vederea convertiri markerilor RAPD polimorfici în markeri specifici SCAR

(Sequence Characterised Amplified Region).

4.2. Materialul biologic utilizat

Materialul biologic utilizat a fost obţinut de la INCDA Fundulea. Pentru acest proiect am

luat în studiu:

22 de cultivare din care 14 soiuri prezintă gene de rezistenţă şi 8 soiuri sensibile la

septorioză considerate forme parentale;

9 linii dihaploide considerate a fi rezistente la septorioză;

23 de linii dihaploide din care 21 linii se consideră a fi rezistente la septorioză şi 2 linii

sensibile la această boală;

material segregant F2 obţinut prin hibridarea formelor parentale.

Utilizarea liniilor dihaploide, obţinute prin dublarea numărului de cromozomi a haploizilor

de grâu rezultaţi dintr-un material hibrid, se justifică prin faptul că liniile dihaploide sunt stabile

în descendenţă, fixând în stare homozigotă recombinarile rezultate în urma hibridărilor. Astfel

este de aşteptat ca în cadrul fiecarei linii să nu existe variabilitate genetică (şi nici segregare) şi în

consecinţă să se poată face o selecţie a liniilor şi nu a plantelor individuale (Botez et al., 2006).

4.3. Metode de lucru

4.3.1. Izolarea si cuantificarea ADN-ului

Izolarea ADN-ului

Metodele de izolare a ADN-ului au ca şi criterii de bază puritatea, integritatea şi

cantitatea de ADN obţinută. S-a demonstrat puritatea ADN-ului este unul dintre cei mai

importanţi factori în reproductibilitatea metodei RAPD. Utilizarea matriţei de ADN cu o

puritatea mare asigură reproductibilitate prin metoda RAPD.

Aceste metode urmăresc eliminarea polifenolilor şi a polizaharidelor care determină

izolarea unor extracte de ADN cu o culoare brună, inaccesibile enzimelor de restricţie.

Cuantificarea ADN-ului

Cuantificarea ADN-ului a fost realizată şi cu ajutorul instrumentului NanoDrop Nd-1000

UV/Vis 1µl Spectrophotometer (Labtech International) conectat la PC.

4.3.2. Amplificarea ADN-ului cu ajutorul markerilor RAPD

Prin amplificarea ADN-ului cu markerii RAPD (Williams et al., 1990) se obţin produşi

de amplficare ce se separă, prin migrare electroforetica în gel de agaroză colorat cu bromura de

etidiu, sub forma unor benzi de dimensiuni diferite. Reacţia de amplificare se realizează automat

în termocyclerul Palm Cycler (Corbett research). Pentru amplificarea probelor noastre de ADN

s-a utilizat un număr de 20 de markeri random.

4.3.3. Amplificarea ADN-ului cu ajutorul markerilor SSR

Secvenţele microsatelit sunt constituite din repetiţii în tandem ale unor secvenţe di, tri

sau tetra nucleotidice, cele mai frecvente fiind secventele dinucleotidice, de exemplu (AC)n.

Markerii SSR utilizaţi în acest studiu au fost selectaţi pe baza literaturii de specialitate, în prezent

Page 11: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

11

fiind identificaţi markeri microsatelitici linkati cu o genă sau mai multe gene de rezistenţă la

septorioza grâului comun, astfel au fost testaţi 16 markeri SSR.

4.3.4. Electroforeza fragmentelor de ADN

Electroforeza este un fenomen fizico-chimic de deplasare a particulelor purtătore de

sarcini electrice sub influenţa unui câmp electric. Într-un câmp electric uniform generat de doi

electrozi, particulele încărcate electric se deplasează înspre electrozii de sarcină electrică opusă.

În condiţii standardizate ale mediului de migrare şi ale câmpului electric, mobilitatea

electroforetică depinde în mod esenţial de mărimea şi forma moleculelor.

În condiţii standardizate ale mediului de migrare şi ale câmpului electric, mobilitatea

electroforetică depinde esenţial de mărimea şi forma moleculelor, prin urmare particulele de

mărime mai mică, încărcate electric şi aflate în migrare, se deplassează mai repede decât cele

care au mărime mai mare. În timpul migrării, bromura de etidiu migrează spre catod, în sens

opus faţă de ADN. Dacă migrarea durează prea mult, o cantitate semnificativă de bromură de

etidiu este îndepărtată din gel, făcând dificilă vizualizarea benzilor sărace în ADN (Dordea et al.,

2003).

4.3.5. Preluarea şi analiza imaginilor

După prealabla colorare cu bromura de etidiu produşii de amplificare au fost vizualizaţi

cu ajutorul transluminatorului UV si aparatul BioSpectrum AC Imaging System (Ultra Violet

Products, UVP) si cu ajutorul programului Vision Works LS.

4.3.6. Menţinerea, multiplicarea şi conservarea sporilor de Septoria tritici

Materialul biologic, sporii de Septoria tritici (izolatele IPO 323 şi IPO 94269) au fost

obtinuţi de la Universitatea din Wageningen, Olanda şi au fost utilizaţi pentru infecţia artificială

a unor hibrizi de grâu pentru a evidenţia rezistenţa acestora la acest agent fitopatogen.

În vederea păstrarii şi multiplicării acestui material am folosit două medii de cultură:

mediu solid PDA (Potato Dextrose Agar) şi mediu lichid YGM (Yeast Glucose Medium),

urmând apoi crioconservarea lui pentru utilizările ulterioare.

4.3.7. Metoda Bulk Segregant Analysis

Metoda Bulk Segregant Analysis este utilizată pentru identificarea rapidă a markerilor

linkati de gene specifice sau gene aflate în anumite regiuni genomice (Michelmore et al., 1991)

şi implică compararea a două amestecuri (bulk-uri) de ADN provenit de la mai multi indivizi

apartinând unei populatii segregante generate în urma încrucişării dintre doi părinti. Fiecare

amestec (bulk) conţine indivizi care sunt identici pentru un caracter sau pentru o genă de interes,

dar sunt diferiţi în ceea ce priveşte alte trăsături şi gene. Cele două bulk-uri sunt, prin urmare,

contrastante pentru o trasatură, de exemplu, rezistente şi sensibile la o anumita boală, în cazul

nostru, la septorioză. Aceste bulk-uri sunt analizate pentru a identifica markeri care le deosebesc.

Markerii care sunt polimorfici între bulk-uri vor fi linkati genetic de locusul/loci care determină

caracterul pentru care s-a făcut analiza. Metoda are aplicaţii în alcătuirea hartilor genetice, care

au fost întocmite pentru multe specii (O’Brien, 1990), astfel sunt acoperite regiuni de interes în

care nu sunt cunoscuţi markeri linkati.

4.3.8. Clonarea ADN-ului din benzile polimorfe

În cercetările noastre ne-am propus clonarea ADN-ului din benzile polimorfe obţinute

prin amplificarea ADN-ului cu markeri RAPD. Benzile sunt izolate din gelul de agaroză sau din

gelul de poliacrilamidă, sunt clonate într-un vector în vederea secvenţierii lor, urmând

construirea de primeri specifi, SCAR, pentru fragmentul de la care s-a plecat. Clonarea include

următoarele etape:

Page 12: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

12

1. Obţinerea pasagerului - in acest studiu, pasagerul este un produs PCR obţinut din

reamplificarea benzilor izolate din gelul de agaroză 1%.

Obţinerea pasagerului prin amplificare PCR se realizează prin utilizarea unor vectori de

tipul A-T, care poartă la capătul 3 o timină ce este complementară adeninei care se adaugă din

greşală sub acţiunea Taq polimerazei în cadrul procesului de amplificare; vectorul şi pasagerul

vor avea capetele monocatenare adezive A-T.

2. Pregătirea pasagerului, în cazul în care introducerea directă în vector nu este posibilă.

3. Ligarea pasagerului de vectorul de clonare cu ajutorul ADN-ligazei.

4. Introducerea vectorului recombinant în gazdă (transformarea celulelor competente).

Există specii în mod natural competente (Bacillus subtilis) şi specii la care competenţa

este indusă (Escherichia coli), inducerea se face în prezenţa clorurii de calciu şi a temperaturii

ridicate. În cazul de fata am folosit kitul TransformAidTM

Bacterial Transformation Kit

(Fermentas).

5. Identificarea şi izolarea celulelor gazdă ce poartă un anumit pasager pe mediu selectiv.

După analiza produşilor PCR, coloniile care au insertul dorit se multiplică pe mediu

lichid LB cu ampicilină în vederea izolării ADN-ului plasmidial. ADN-ul plasmidial astfel

obtinut se trimite la secventiat, pe baza secvenţei construindu-se noi primeri.

4.3.9. Obţinerea materialului segregant F2 în urma hibridării formelor parentale

În cadrul fiecărei specii există un număr mare de gene valoroase şi pentru crearea de

ecotipuri echilibrate amelioraea caută să îmbine cât mai multe gene favorabile. Principala cale de

a realiza aceast lucru o constituie recombinarea, prin hibridare.

Materialul biologic parental a fost semănat în câmpul experimental în toamna anului

2006, în anul următor efectuându-se hibridările după cum urmează: sau folosit toţi parinţii

rezistenţi, precum şi trei parinţi sensibili, notaţi cu: 15 (Farmec), 16 (Delabrad) şi 17 (F96869G1-

108). In acest studiu am incrucisat genitorii materni cu cei paterni in vederea testarii

descendentilor F2 pentru rezistenta lor la agentul patogen Septoria tritici.

În toamna anului 2007, combinaţiile hibride F1 au fost semănate în câmpul experimental.

Generaţia F2 segregantă a fost semănată în câmpul experimental al gradinii agrobotanice (16

combinaţii) în anul următor. In 2009, descendentii F2 au fost recoltaţi, şi prin urmare au fost şi

analizaţi în laborator.

CAPITOLUL V

5.1. Rezultate privind izolarea ADN-ului

La formele parentale concentratia ADN-ului a variat intre 242 ng/µl (proba 5) si 889

(proba 5), iar puritatea a variat intre 1,82 (proba 10) si 1,98 (proba 6). ADN-ul extras a fost

ulterior diluat cu apă ultrapură la o concentraţie finală a soluţiei de lucru de 30 ng/µl.

În urma izolarii ADN-ului la cele 23 de linii dihaploide s-au obtinut concentraţii care au

variat între 434 ng/µl (proba 6) şi 2933 ng/µl (proba 17) şi purităţi între 1,48 (proba 13) şi 2,01

(proba 1), iar prin extracţia ADN-ului din indivizii F2 s-au obţinut concentraţii care au variat între

386 ng/µl (proba 67) si 3830 ng/µl (proba 70) şi puritaăţi de 1,84 (proba 14) şi 2,15 (proba 49).

5.2. Rezultate privind selecţia pentru rezistenţa grâului la septorioză utilizând

tehnica SSR

5.2.1 Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile parentale

Pentru realizarea primului obiectiv al acestei teze de doctorat am testat markeri

moleculari de tip microsatelit SSR, cu scopul realizării selecţiei asistate de markeri pentru

rezistenţa grâului la septorioză.

Page 13: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

13

În acest studiu am dorit să aflăm ce gene sunt prezente în materialul nostru biologic,

pornind de la testarea moleculară a formelor parentale rezistente, respectiv sensibile la agentul

fitopatogen Septoria tritici, urmând efectuarea evaluarii fenotipice în câmp. Astfel s-au testat

mai mulţi markeri SSR descrişi în literatură ca fiind asociaţi unor gene de rezistenţă la

septorioză, asupra genotipurilor individuale de la toate variantele de material biologic parental.

În figura următoare este reprezentat profilul electroforetic al produşilor de amplificare

obtinuţi prin amplificarea ADN-ului cu markerul Xgwm577, asociat genei de rezistenţă Stb8. În

urma analizei individuale de câte cca. 10 plante, în două repetiţii, s-au obţinut rezultate foarte

diverse. Pentru unele linii parentale s-a confirmat prezenţa benzii de 180 pb, specifică formelor

rezistente, şi deci s-a confirmat prezenţa genei Stb8 (liniile 8, 11, 13 şi 14), pentru alte linii (2, 3,

6 si 9) s-a observat o segregare, la unii indivizi banda de 180 pb fiind prezentă, iar la alte linii (1,

4, 5, 7, 10 si 12) banda respectivă nu a apărut, gena Stb8 fiind, deci, absentă (tabel 2).

Figura 3. Polimorfismul identificat de markerul Xgvm577, L- ladder 100pb

Tabel 2.

Analiza genetică realizată cu ajutorul markerului Xgwm577

Nr Nr. Genotipuri Marker Xgwm577

Observaţii

R I R II

Total

RI

+ -

R II

+ -

Total

+ -

1 9 10 19 0 9 0

10

0 19 Rez.neconfirmată

2 8 9 17 1 7 0 9 1 16 Segregare

3 9 8 17 1 8 0 8 1 16 Segregare

4 10 6 16 0 10 0 6 0 16 Rez.neconfirmată

5 10 8 18 0 10 0 8 0 18 Rez.neconfirmată

6 8 8 16 3 5 0 8 3 13 Segregare

7 9 9 18 0 9 0 9 0 18 Rez.neconfirmată

8 2 8 10 2 0 8 0 10 0 Rez.confirmată

9 9 7 16 7 2 7 0 14 2 Segregare

10 9 7 16 0 9 0 7 0

16

Rez.confirmată

11 9 9 18 9 0 9 o 18 0 Rez. confirmată

12 7 5 12 0 7 0 5 0

12

Rez.neconfirmată

13 10 10 20 10 0 10 0 20 0 Rez. confirmată

14 10 10 20 10 0 10 0 20 0 Rez. confirmată

L=100pb

11.9 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9

13.10 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 15 16 17 21

L=100pb

Page 14: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

14

Rezultatele obţinute în urma testării markerului pSc H20 (F3/R3), marker specific

genomului de secară, sunt prezentate în tabelul 3. Acest marker este asociat introgresiilor

provenite de la secară în genomul grâului, fiind cunoscut faptul că rezistenţa graului la agentul

patogen Septoria tritici provine şi de la secară. La unele linii parentale, considerate rezistente (2,

6, 7, 8, 10, 11, 13 si 14), banda de 1400 pb a fost prezentă, iar la alte linii (1, 5 şi 9) s-a observat

o segregare, confirmând prezenţa genelor de la secară în genealogia liniilor respective. Din

păcate, această observaţie este valabilă şi în cazul a două soiuri considerate sensibile la

septorioză (17 şi 21), banda de 1400 pb fiind prezentă. Se poate concluziona că existenţa

introgresiuniulor de la secară nu constitue o garanţie a prezenţei genelor de rezistenţă la

septorioză.

Tabel 3.

Analiza genetică realizată cu ajutorul markerului pSc H20

Nr

.

Nr. Genotipuri Marker pSc H20 Observaţii

R I R II Total RI

+ -

R II

+ -

Total

+ -

1 9 10 19 - - 5 5 5 5 Segregare

2 8 9 17 - - 9 0 9 0 Rez.confirmată

3 9 8 17 - - 0 8 0 8 Rez.neconfirmată

4 10 6 16 - - 0 6 0 6 Rez.neconfirmată

5 10 8 18 - - 7 1 7 1 Segregare

6 8 8 16 - - 8 0 8 0 Rez.confirmată

7 9 9 18 - - 9 0 9 0 Rez.confirmată

8 2 8 10 - - 8 0 8 0 Rez.confirmată

9 9 7 16 - - 5 2 5 2 Segregare

10 9 7 16 - - 7 0 7 0 Rez.confirmată

11 9 9 18 8 1 8 1 18 0 Rez. confirmată

12 7 5 12 0 7 0 5 0

12

Rez.neconfirmată

13 10 10 20 10 0 10 0 20

0

Rez. confirmată

14 10 10 20 10 0 10 0 20

0

Rez. confirmată

15 Bulk 0

16 Bulk 0

17 Bulk + Banda prezentă

18 Bulk 0

19 Bulk 0

20 Bulk 0

21 Bulk + Banda prezentă

22 Bulk 0

În figura 4 se prezintă polimorfismul identificat cu ajutorul markerului pSc H20 la unele

linii parentale considerate rezistente (6, 7 şi 8) şi sensibile (15 la 22). Acest marker, prin banda

de 1400 pb, specifică genomului de secară, ar putea să fie luat în considerare ca marker pentru

trierea genotipurilor de grâu rezistent/sensibil la septorioză. Afirmăm acest lucru deoarece liniile

parentale ce au prezentat această bandă (8, 11, 13 si 14) au fost confirmate ca purtătoare a unor

gene de rezistenţă şi cu ajutorul markerului OPH20, specific genomului de secară, dar şi

markerului Xgwm577 asociat cu gena de rezistenţă Stb8.

Page 15: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

15

Figura 4. Polimorfismul identificat de markerul pSc H20, L- ladder 100 pb

5.2.2. Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile dihaploide

Au fost testate genotipic, cu ajutorul markerilor SSR lincati cu gene de rezistenţă la

septorioză, linii dihaploide de grâu, obţinute prin dublarea numărului de cromozomi ai

haploizilor rezultaţi dintr-un material hibrid. Utilizarea liniilor dihaploide se justifică prin faptul

că sunt stabile în descendenţă, fixând în stare homozigotă recombinările rezultate în urma

hibridărilor. Este aşteptat faptul ca în cadrul fiecărei linii să nu existe variablitate genetică, nici

segregare, astfel fiind posibilă efectuarea unei selecţii a liniilor, nu a plantelor individuale.

În figura 5 sunt prezentate rezultatele obţinute cu markerul Xgwm313, banda de 197 pb,

asociată genei de rezistenţă Stb7, a fost prezentă la unele linii dihaploide (5.5 şi 6.2) şi nu a fost

prezentă la celelate linii analizate (5.1, 5.2, 5.4, 5.5, 5.7, 6.1, şi 6.3).

Figura 5. Produşii de amplificare obţinuţi cu markerul Xgwm313, L- ladder 100 pb

La soiurile sensibile (19, 20 şi 21) fiind prezentă alela de sensibiltate (200 pb) la gena

Stb7, excepţie făcând doar soiul 18, la care a apărut bandă de 197 pb. Se poate aprecia deci că

linile 5.3 şi 6.2 poartă gena de rezistenţă Stb7, totodată confirmându-se natura homozigotă a

liniilor dihaploide prin faptul că toate plantele individuale din cadrul liniei 6.2 poartă gena de

rezistenţă şi toate plantele individuale din cadrul liniei 6.3 nu poartă această genă.

Pentru markerul Xgwm493 s-au obţinut produşi de marime asemanatoare între linile

dihaploide considerate a fi rezistente la septorioză şi souirile sensibile. În cazul a două linii

dihaploide (9, 11) produşii au avut o marime diferită, 171 pb, faţă de produşii obţinuţi de la

liniile sensibile, intre 149 pb si 153 pb. Acest fapt poate conduce la încadrarea acestor linii ca

fiind purtătoare a genei de rezistenţă Stb2 (figura 4). Se poate remarcă faptul că valorile obţinute

de noi pentru marimea alelei de rezistenţă (171 pb) diferă de valorile obţinute (125 pb) de către

Adhikari şi colaboratorii lui (Adhikari et al., 2004b).

Page 16: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

16

Figura 6. Produşii de amplificare obţinuţi cu markerii Xgwm493 F/R, L- ladder 50 pb

Prin testarea markerului Xgwm577 (figura 7) asociat genei de rezistenţă Stb8, s-a obţinut

un singur produs de amplificare la fiecare linie dihaploidă testată având valori între 140 pb şi 200

pb. La unele linii dihaploide (1 la 17; 20 şi 21) a apărut o bandă cu dimensiuni cuprinse între 160

pb şi 200 pb, considerată a fi alela de rezistenţă a genei Stb8. La două linii dihaploide

considerate rezistente la septorioză (18 şi 19) şi la linia sensibilă (23) a apărut banda de 146 pb,

considerată alela de sensibilitate la septorioză (Adhikari et al., 2003). În urma rezultatelor astfel

obţinute se poate considera că liniile 18 şi 19 nu poartă gena de rezistenţă Stb8, iar liniile

dihaploide notate de la 1 la 17, 20 si 21 sunt purtatoare a genei Stb8.

Figura 7. Produşii de amplificare obţinuţi cu markerul Xgwm577, L-ladder 50 bp

5.3. Rezultate privind atribuirea markerilor moleculari RAPD genelor de rezistenţă pe

baza cosegregării

5.3.1 Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile parentale

În acest studiu am testat 14 linii ce prezintă rezistenţă la agentul patogen Septoria tritici,

evidenţiată în câmpul experimental şi 8 soiuri considerate a fi sensibile la acest agent patogen. Al

doilea obiectiv al prezentei teze a fost acela de atribuire a markerilor moleculari RAPD genelor

de rezistenţă Stb pe baza cosegregarii.

Dintre cei 20 primerii random testaţi, 11 primeri au evidenţiat diferenţe între populaţiile

bulk 1-14 a formelor parentale ce prezintă rezistenţă, comparativ cu formele parentale

caracterizate a nu avea rezistenţă la septorioză (15-22).

5.3.2. Rezultate privind amplificarea ADN-ului de la liniile dihaploide

Prin amplificarea ADN-ului provenit de la cele 9 linii dihaploide cu primerul OPH20 s-a

obţinut banda de 1400 pb la unele provenienţe. Banda nu a apărut la 2 linii parentale fără

rezistenţă luate ca referinţă (figura 8).

În cazul amplificarii cu primerii OPAB 18 şi OPB 08 s-a obţinut o bandă de 1200 pb la

liniile dihaploide testate, bandă ce nu apare la forma sensibilă de referinţă. Şi în cazul

amplificării cu primerul Mic14, OPC13 şi OPC10 s-au obţinut, de asemenea, benzi polimorfice

Page 17: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

17

între liniile dihaploide şi formele sensibile la septorioză (Curticiu et al., 2007; 2009).

Figura 8. Polimorfismul obţinut cu primerul OPH 20, L= 100 pb

5.4. Rezultate privind atribuirea markerilor moleculari RAPD genelor de rezistenţă pe

baza metodei BSA

5.4.1. Obţinerea materialului hibrid

Pentru realizarea celui de al treilea obiectiv al acestei teze formele parentale rezistente au

fost incrucisate cu unele forme parentale sensibile pela agentul patogen S. tritici, astfel au fost

obtinuti hibrizii F1, care s-au autopolenizat, rezultând generaţia segregantă F2 (tabel 4).

Tabel 4.

Generaţia F2 segregantă obţinută în câmpul experimental

Nr. Combinaţii

hibride

Genealogie

Părinţi rezistenţi x Părinţi sensibili

1. P1 X P16 ALTAR 84/Aegilopsis squarosa (219)/2 SERI/3/F96869G1-1

x DELABRAD

2. P4 X P16 FARMEC/Aegilopsis squarosa x DELABRAD

3. P5 X P16 CIT 3/ T. Tauschi (T2450)/Boema/3/F95160G1-3

x DELABRAD

4. P6 X P16 CIT3/T.Tauschi(T2460)/229S31202/3/Bucur/4/ Jiana

x DELABRAD

5. P8 X P16 TAM1074/T.Timopheevi(TA870),(KSWGRC36)/Glosa

x DELABRAD

6. P5 X P17 CIT 3/ T. Tauschi (T2450)/Boema/3/F95160G1-3 x F96869G1-108 x

DELABRAD

7. P6 X P17 CIT3/T.Tauschi(T2460)/229S31202/3/Bucur/4/ Jiana

x F96869G1-108

8. P9 X P17 T. Timopheevi/T. Monococum/2 F132/3/2 Crina x F96869G1-108

5.4.3. Atribuirea markerilor moleculari RAPD genelor de rezistenta la Septoria tritici pe baza

metodei BSA

În acest studiu am folosit metoda Bulk Segregant Analysis, metoda ce presupune izolarea

individuală a ADN-ului de la câte cinci-zece plante aparţinând fiecărui grup (sensibil respectiv

rezistent), amestecarea, în cantităţi egale, în cadrul fiecărui grup a ADN-ului obţinut de la

plantele individuale, pentru a obţine cele două bulkuri cu ADN, specifice celor două grupuri de

plante (Michelmore et al., 1991). Urmează amplificarea ADN-ului de la cele două bulk-uri cu

primeri decameri, separarea produşilor de amplificare prin electroforeză în gel de agaroză,

analiza polimorfismului molecular şi atribuirea benzlor polimorfe prezente la forma rezistentă şi

absente la forma sensibilă, genelor de rezistenţă.

În cazul de faţă s-a efectuat izolarea ADN-ului de la cele două grupuri şi în cadrul

fiecarui grup ADN-ul a fost amestecat (bulk). Pasul urmator a fost amplificarea ADN-ului cu

mai mulţi primeri decameri, dintre care 4 au evidenţiat polimorfism între cele două grupuri,

Page 18: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

18

polimorfism constând în prezenţa/absenţa uneia sau mai multor benzi. Markerii moleculari

trebuie sa fie linkati în faza de cuplare cu gena de rezistenţă, adică gena şi markerul trebuie să fie

înlanţuiţi în acelaşi cromozom, banda polimorfă trebuie să fie prezentă la forma rezistentă şi

absentă la forma sensibilă.

Astfel de rezultate au fost obţinute în urma testării markerilor OPC04 şi OPA11 şi al

migrării produşilor de amplificare în gel de agaroză. În alte situaţii acesta condiţie nu a fost

indeplinită, adică banda polimorfă a fost prezentă la forma sensibilă şi a lipsit la forma rezistentă.

5.4.4. Stabilirea relaţiilor de linkage dintre markeri RAPD atribuiţi genelor de rezistenţă

şi genele de rezistenţă la STB

În acest studiu am urmărit stabilirea relaţiilor de linkage între markeri moleculari de tip

RAPD şi genele de rezistenţă Stb prin metoda analizei descendenţilor F2. Descendenţii F2 sunt

rezultaţi din diferite încrucuişări între părinţi ce prezintă rezistenţă la septorioză cu parinţi ce

sunt sensibili la acestă boală. Prin testarea markerilor RAPD, produşii de amplificare sunt

migraţi în gel de agaroză, iar genotiparea plantelor individuale pentru rezistenţă poate fi

asigurată de prezenţa sau absenţa benzii marker în gel. La grâu gena de rezistenţă şi markerul au

fost înlanţuite în faza de cuplare:

Tabel 5.

Stabilirea relaţiilor de linkage dintre marker şi genă

TIP PARENTAL TIP

RECOMBINAT

TOTAL

Marker

Combinaţia

hibridă

Plante

Rezistente

cu banda

polimorfă

(x pb)

Plante

Sensibile

fară

banda

polimorf

ă (x pb)

Plante

Sensibile

cu banda

polimorf

ă (x pb)

Plante

reziste

nte fară

banda

polimo

rfă (x

pb)

OPA 11 P9 X P17 50

(1072 pb)

28 12 30 120

OPC 13 P9 X P17 61

(350 pb)

28 12 19 120

OPC 04 P6 X P17 38

(510 pb)

19 9 14 80

1. Pentru combinaţia hibridă P9 X P17 testată cu markerul OPA 11, frecvenţa fenotipului

dublu recesiv este de 21.6% (sau 0.216) De aici rezultă că frecvenţa gameţilor de tip

parental este: 2√0.216 = 0.931, iar frecvenţa gameţilor de tip recombinant este de 1 - 0.931=

0.0690. Aşadar distanţa dintre genă şi markerul OPA11 este de 0.069 unitaţi de recombinare

(6 cM).

2. Pentru combinaţia hibridă P9 X P17, testată cu markerul OPC 13, distanţa dintre genă şi

marker este de 3 cM.

3. Pentru combinaţia hibridă P6 X P17 testată cu markerul OPC 04 s-au obţinut distanţa de 2

cM intre genă si marker.

Odată cu identificarea acestor markeri linkaţi cu rezistenţa la septorioză selecţia asistată

de markeri poate fi realizată din fazele timpurii de dezvoltare a plantelor, înlăturând astfel

Page 19: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

19

deficienţele cauzate de timp şi nemaifiind nevoie de realizarea infecţiilor artificiale cu agentul

patogen.

5.5. Rezultate preliminare privind clonarea produşilor de amplificare

Ultimul obiectiv al cercetărilor noastre constă în clonarea ADN-ului din benzile

polimorfe obţinute prin amplificarea ADN-ului cu markeri RAPD, fiind continuarea celui de al

doilea obiectiv propus şi realizat, adică atribirea markerilor RAPD genelor de rezistenţă pe baza

cosegregării. Pentru relizarea acestui obiectiv s-a realizat amplificarea ADN-ului provenit de la

liniile rezistente la septorioză cu markeri RAPD care au fost atribuiţi genei de rezistenţă. Pentru

amplificarea ADN-ului s-au utilizat trei markeri RAPD (OPH20, OPC04 şi OPC13). Produşii de

amplificare PCR obţinuţi au fost introduşi în vectorul de clonare linearizat pGEM-T - Easy

Vector, iar reacţia de ligare s-a realizat peste noapte la temperatura de 40C într-un volum de

reacţie de 10µl (1µl pGEM-T - Easy Vector, 6µl produs PCR, 1µl T4 AND ligază, 1µl tampon

de ligare 10x, 1µl ddH2O). Au fost folosiţi şi vectorii de clonare pJET 1.2/blunt şi PTZ57R/T.

Transformarea bacteriană gazdă a ADN-ului recombinant s-a realizat cu kitul Transform AidTM

Bacterial kit.

Figura 9. Produşii de amplificare obţinuţi cu markerii RAPD: OPH20, OPC04 şi OPC13

la câteva linii dihaploide de grâu (5.3, 5.7, 6.1, 6.1, 6.3) şi linii parentale de grâu (8,11,13,14) cu

rezistenţă de câmp la Septoria tritici

Coloniile albe apărute au fost verificate prin amplificare PCR într-un amestec de reacţie

ce conţine: 10xTaq buffer, dNTP mix, Forward primer, Reverse primer, Taq polymeraza şi

ddH2O şi au fost subcultivate în continuare pe mediu selectiv. Ca bacterii gazdă am utilizat două

tulpini de E. coli: JM 109 şi GM 2163, rezultatele cele mai bune fiind obţinute folosind tulpina

GM 2163.

În figura urmatoare sunt prezentate coloniile albe (cu insert) şi albastre (fara insert)

rezultate prin folosirea vectorului PTZ57R/T (InsTAcloneTM

PCR Cloning kit), iar în figura 11

sunt prezentate colonii albe obtinute prin folosirea vectorului pJET 1.2/blunt.

Figura 10. Colonii bacteriene (fără insert - coloniile albastre / cu insert - coloniile albe)

transformate cu vectorul PTZ57R/T (imagine stanga) si cu vectorul pGEM-T (imagine dreapta)

Page 20: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

20

Figura 11. Colonii bacteriene albe (cu insert) obţinute cu vectorul pJET 1.2/blunt

Prin folosirea vectorului pJET 1.2/blunt (CloneJETTM

Cloning Kit) au fost obţinute

colonii albe ce au pasager integrat în vector. Prin folosirea vectorului pJET 1.2/blunt

(CloneJETTM

Cloning Kit) au fost obţinute colonii albe ce au pasager integrat în vector. S-au

recoltat câteva colonii ce au fost multiplicate pe mediu LB cu ampicilină în vederea izolării

ADN-ului plasmidial, urmând amplificarea secventelor clonate cu primerii specifici vectorului,

ce flancheaza aceste secveneţe (pJET1 şi pJET1R).

Clonarea a reuşit la banda de 350 pb pornind de la amplificarea ADN-ului parental

(provenienţa 6) cu primerul OPC03 folosind kitul CloneJETTM

Cloning Kit. ADN-ului

plasmidial izolat a fost secvenţiat în laboratoarele firmei Mycrosinth (Elveţia), urmând

construirea de primeri specifici, pentru convertirea markerului molecular RAPD în marker

SCAR.

CONCLUZII

Concluzii privind relizarea primului obiectiv propus în prezenta teză de doctorat -

testarea unor markeri de tip microsatelit - SSR în vederea selecţiei pentru rezistenţa grâului la

septorioză:

Izolarea ADN-ului s-a efectuat conform protocolului care utilizează CTAB, cantitatea şi

puritatea ADN-ului obţinut a fost bună;

Markerii moleculari SSR au fost utilizaţi cu succes pentru selecţia din cadrul unor

descendenţe segregante a indivizilor purtători a unor alele de rezistenţă la Septoria, precum şi

pentru selecţia liniilor dihaploide purtătoare a unor gene de rezistenţă:

În cazul liniilor dihaploide s-a stabilit cu ajutorul markerilor moleculari SSR, că majoritatea

acestora poartă, cel puţin, o genă de rezistenţă, mai frecvent întâlnite fiind genele Stb7 şi Stb8

şi posibil Stb4. Mai puţin frecvent s-a întâlnit gena Stb2. Pentru genele Stb1, Stb3, Stb5 şi

Stb6 rezultatele nu sunt concludente. Plantele individuale din cadrul fiecări linii nu au

segregat (imaginea electrtoforetică a fost monomorfă) confirmând natura lor homozigotă.

Concluzii privind relizarea celui de al doilea obiectiv propus în prezenta teză de doctorat

- atribuirea markerilor RAPD pe baza cosegregării:

Markerii RAPD testaţi au dat o bună amplificare la toate genotipurile studiate: dintre cei 20

de markeri testati, 11 au evidenţiat polimorfism la populatiile bulk provenite de la liniile

recombinante rezistente la septorioză, faţă de formele parentale caracterizate a fi sensibile:

Benzile polimorfe obţinute sunt considerate a fi candidate de markeri moleculari pentru

genele de rezistenţă la Septoria tritici.

Concluzii privind relizarea celui de al treilea obiectiv propus în prezenta teză de doctorat

- atribuirea markerilor RAPD pe baza metodei BSA:

S-a obtinut un număr de 8 combinatii hibride F2 care au fost supuse infecţiilor artificiale cu

spori de S. tritici.

S-au efectuat analize moleculare asupra bulk-urilor de la plantele rezistente şi sensibile cu

markeri RAPD şi au fost atribuiţi markeri random genelor de rezistenţă la septorioză.

Page 21: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

21

S-au stabilit relaţii de linkage dintre markeri RAPD atribuiţi genelor de rezistenţă şi genele

de rezistenţă la septorioza:

Concluzii privind relizarea celui de al patrulea obiectiv propus în prezenta teză de

doctorat - clonarea benzilor polimorfe atribuite genelor de rezistenţă în vederea convertirii

markerilor RAPD în markeri SCAR:

Folosind kitul CloneJETTM

Cloning Kit s-a reuşit clonarea ADN-ului de la provenienta 6

de ADN parental cu rezistenţă la septorioza, folosind markerul RAPD- OPC13 (banda

polimorfică de 350 pb). După clonarea şi secvenţierea ADN-ului sunt construiţi markeri SCAR.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

ADHIKARI, T.B., J.M. ANDERSON, S.B. GOODWIN, 2003, Identification and

molecular mapping of a gene in wheat conferring resistance to Mycosphaerella graminicola, In:

Phytopathology, 93(9): 1158-1164

ADHIKARI, T.B., H. WALLWORK, S.B. GOODWIN, 2004b, Microsatellite Markers

Linked to the Stb2 and Stb3 Genes for Resistance to Septoria tritici Blotch in Wheat. Crop Sci.,

44:1403-1411

AGRIOS, G. N., 1997, Plant Pathology 4th edition, Academic Press, p. 286-289; 310

ALEXANDRI, Al., M. OLANGIU, M. PETRESCU, I. POP, E. RĂDULESCU, C.

RAFAILĂ, V. SEVERIN, 1969, Tratat de fitopatologie agricolă vol.II, Editura Academiei

Republicii Socialiste România p. 78-84

AO, H.C. & GRIFFITHS, 1976, Change in virulence of Septoria nodorum and S. tritici

after passage through alternative hosts, Transactions of British Mycological Society 66: 337-340

ARRAIANO, L.S., L. CHARTRAIN, E. BOSSOLINI, H.N. SLATTER, B. KELLER,

J.K.M. BROWN, 2007, A gene in European wheat cultivars for resistance to an African isolate

of Mycosphaerella graminicola, Plant Pathology 56, 73–78. doi: 10.1111/j.1365-

3059.2006.01499.x

ARRAIANO, L.S, A. J. WORLAND, C. ELLERBROOK, J.K.M. BROWN, 2001,

Chromosomal location of a gene for resistance to Septoria tritici blotch (Mycosphaerella

graminicola) in the hexaploid wheat ‘Synthetic 6x’, Theoretical and Applied Genetics 103, 758–

764. doi: 10.1007/s001220100668

BOTEZ C., DANA CURTICIU, LAURA COTA, 2008, Dihaploid wheat lines selection

with SSR marker for Septoria tritici resistance, Buletinul USAMV-CN, 65/2008, ISSN 1454-

2382

BOTEZ C., DANA CURTICIU, LAURA COTA, N.N. SAULESCU, 2009, Marker

assisted selection for Septoria tritici resistance in wheat dihaploid lines, Not. Bot. Hort. Agrobot.

Cluj, 37:253-255

BOTEZ, C., N.N. SĂULESCU, MONICA IUORAŞ, P. RAICA, 2006, Preliminary

results to the marker assisted selection for disease resistance of common wheat (Triticum

aestivum), Buletin USAMV-CN, 63/2006

BRADING, P. A, E.C.P. VERSTAPPEN, G.H.J. KEMA, J.K.M. BROWN, 2002, A

gene-for-gene relationship between wheat and Mycosphaerella graminicola, the Septoria tritici

blotch pathogen. Phytopathology 92, 439–445. doi: 10.1094/PHYTO.2002.92.4.439

BROKENSHIRE T., 1975, Wheat seed infection by Septoria tritici, Transactions of the

British Mycological Society 64: 331-334

BROKENSHIRE T., 1976, The reaction of wheat genotypes to Septoria tritici, Annals of

Applied Biology 82: 415-423

CEAPOIU, N., F. NEGULESCU, 1983, Genetica şi ameliorarea rezistenţei la boli a

Page 22: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

22

plantelor, Editura Academiei Rep. Socialiste Romania

COLLARD, B.C.Y., M.Z.Z. JAHUFER, J.B. BROUWER, E.C.K. PANG, 2005, An

introduction to markers, quantitative trait loci (QTL) mapping and marker-assisted selection for

crop improvement: The basic concepts, Euphytica 142, 169-196, doi: 10.1007/s10681-005-1681

CURTICIU DANA MARIA, BALAZS ERIKA, BRICIU DANIELA, BRICIU C. A.,

TAOUTAOU A., POP TIBERIA, GANEA STEFANA, COTA LAURA, BOTEZ C., 2009,

RAPD and SSR marker selection for some dihaploid wheat lines for Septoria tritici resistance,

Journal of Horticulture, Forestry and Biotehnology 13: 114-117

CURTICIU DANA MARIA, C. BOTEZ, COTA LAURA, LUCACI MEDA, 2007,

Marker asisted selection for Septoria tritici resistance of common wheat, Buletinul USAMV-CN,

64/2007, ISSN 1454-2382

CURTICIU DANA MARIA, DANIELA TRIFAN, AL. C. BRICIU, ERIKA BALAZS,

LAURA COTA, C. BOTEZ, 2008, General aspects regarding Septoria tritici blotch on wheat,

Buletinul USAMV-CN, 65/2008, ISSN 1454-2382

DANCER, J., A. DANIELS, N. COOLEY, S. FOSTER, 1999, Septoria tritici and

Stagnospora nodorum as model pathogens for fungicide discovery, In: Lucas, J.A., P. Bowyer,

& H.M. Anderson (Eds.), Septoria on cereals: A study of pathosystems, pp. 316-331, CABI

Publishing, Cambridge

DORDEA, MANUELA, N. COMAN., CORNELIA CRACIUNAŞ, C. ANDRAŞ, 2003,

Genetică Generală şi Moleculară- abordare practică, Presa Universitară Clujană

DUDLEY, J. W., 1993, Molecular markers in plant improvement: Manipulation of genes

affecting quantitative traits, Crop Science 33: 660-668

EYAL, Z., 1999, The Septoria tritici and Stagnospora nodorum blotch diseases of wheat,

Eur. Journal of Plant Patholology 105:629-641

EYAL, Z., A.L. SCHAREN, J.M. PRESCOTI, M. van GINKEL, 1987, The Septoria

diseases of wheat: Concepts and methods of disease management, Mexico, D.F: CIMMYT

GOODWIN, S.B, 2007, Back to basics and beyond: increasing the level of resistance to

Septoria tritici blotch in wheat, Australian Plant Pathology, 36, 532-538

JACKSON, L.F., J. DUBCOVSKY, L.W. GALLAGHER, R.L. WENNIG, J. HEATON,

2000, Regional barley and common and durum wheat performance tests in California,

Agronomy Progress Report 272: 1-56

JONES, D., & B.M. COOKE, 1969, The epidemiology of Septoria tritici and Septoria

nodorum. 1. A tentative key for assessing Septoria tritici infection on wheat heads, Trans. Br.

Mycol. Soc. 53, 39-46

KEMA, G.H.J., J.G. ANNONE, T. SAYOUD, C. van SILFHOUT, M. van GINKEL, J.

de BREE, 1996, Genetic variation for virulence and resistance in the wheat - Mycosphaerella

graminicola pathosystem, I. Interaction between pathogen isolates and host cultivars,

Phytophatology 86, 213-220. Doi: 10.1094/Phyto-86-213

KING, J.E., R.J. COOK, S.C. MELVILLE, 1983, A review of Septoria diseases of wheat

and barley, Ann. Appl. Biol. 103:345-373

McCARTNEY, C.A., A.L. BRULE-BABEL, L. LAMARI, D.J. SOMERS, 2003,

Chomosomal location of a race-specific resistance gene to Mycosphaerella graminicola in the

spring wheat ST6, In: Theoretical and Applied Genetics, 107,1181-1186

MICHELMORE, R.W., I. PARAN, R.V. KESSELI, 1991, Identification of markers

linked to disease-resistance genes by bulked segregant analysis: A rapid method to detect

markers in specific genomic regions by using segregating populations, Proc. Natl. Acad. Sci.

USA, Vol. 88, Genetics, p. 9828-9832

MINCU, M., 1999, Response of winter wheat genotypes to artificial inoculation with

several Septoria tritici populations, In: Septoria and Stagnosphora diseases of cereals: A

compilation of global research, CYMMIT, Mexico, p.167-170

Page 23: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

23

O'BRIEN, S. J., 1990, Genetic Maps, Cold Spring Harbor Lab., NY, vol. 6

PALMER, CLAIRE-LOUISE & WENDY SKINNER, 2002, Mycosphaerella

graminicola: latent infection, crop devastation and genomics, Molecular and Plant Pathology

PATTERSON F.L., G.E. SHANER, D.M. HUBER, H.W. OHM, R.E. FINNEY, R.L.

GALLUN, J.J. ROBERTS, 1979, Registration of Sullivan wheat, Crop Science 19: 297

PATTERSON F.L., J.J. ROBERTS, R.E. FINNEY, G.E. SHANER, R.L. GALLUN,

H.W. OHM, 1975, Registration of Oasis wheat, Crop Science 15: 736-737

RIBAUT, J.M. &D. HOISINGTON, 1998, Marker-assisted selection: New tools and

strategies, Trends Plant Science 3: 236–239.

RILLO A.O. & R.M CALDWELL, 1996, Inheritance of resistance to Septoria tritici in

Triticum aestivum subsp. vulgare, Bulgaria 88, Phytopathology 56:597

SIVANESAN, A., 1990, Mycosphaerella graminicola, Mycopathologia 109:51-53

SOMASCO, O.A., C.O. QUALSET C.O., D.G. GILCHRIST, 1996, Single-gene

resistance to Septoria trici blotch in the spring wheat cultivar ‘Tadinia’, Plant Breeding 115:261-

267. doi: 10.1111/j.1439-0523.1996.tb00914.x

WILLIAMS, J.G.K., A.R. KUBELIK, K.J. LIVAK., 1990, DNA Polymorphism

Amplified by Arbitrary Primers are useful as genetic markers, Nucleic Acids Res. 18:6231-6235

WINTER, P., G. KAHL, 1995, Molecular marker technologies for plant improvement,

World Journal of Microbiology and Biotechnology 11: 438-448

http://www.omafra.gov.on.ca/french/crops/facts/90-008f4.jpg

http://www.freefoto.com/images/07/45/07_45_66---Wheat_web.jpg

http://www.ksre.ksu.edu/library/plant2/EP133.pdf

http://www.hgca.com/hgca/wde/IMAGES/Septoria%202.JPG

http://www.hgca.com/minisite_manager.output/3619/3619/Cereal%20Disease%20Encyclopedia/

Diseases/Septoria%20Leaf%20Blotch.mspx?minisiteId=26

Page 24: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

UNIVERSITY OF AGRICULTURAL SCIENCES AND VETERINARY

MEDICINE CLUJ NAPOCA

DOCTORAL SCHOOL

FACULTATY OF AGRICULTURE

Biologist DANA M. BOTA (CURTICIU)

MARKER ASSISTED SELECTION FOR DISEASE

RESISTANCE OF COMMON WHEAT (TRITICUM

AESTIVUM) TO SEPTORIA TRITICI BLOTCH

(SEPTORIA TRITICI)

(SUMMMARY OF THE Ph.D. THESIS)

SCIENTIFIC COORDINATOR

Prof. Univ. Dr. CONSTANTIN BOTEZ

CLUJ-NAPOCA

2010

Page 25: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

25

CUPRINS SUMMARY .................................................................................................................................. 26

CHAPTER I .................................................................................................................................. 26

1.1. Pathogen agent and simptomatology .............................................................................. 26

1.2. Methods of disease control ............................................................................................. 27

1.3. Genetic determinism of wheat resistance to septoria tritici blotch ................................. 27

CHAPTER II ................................................................................................................................. 28

2.1. Characteristics and classification of molecular markers .................................................... 28

2.2. Application of molecular markers in plant breeding .......................................................... 28

CHAPTER III ................................................................................................................................ 29

3.1. Marker assisted selection ................................................................................................... 29

3.2. Award markers to genes of interest .................................................................................... 29

CHAPTER IV ............................................................................................................................... 29

4.1. Aim and objectives ............................................................................................................. 29

4.2. Biological material ............................................................................................................. 29

4.3. Working methods ............................................................................................................... 30

4.3.1. DNA isolation and quantification ............................................................................... 30

4.3.2. DNA amplification using RAPD markers ................................................................... 30

4.3.3. DNA amplification using SSR markers ...................................................................... 30

4.3.4. Electrophoresis ............................................................................................................ 30

4.3.5. Image capture and analysis ......................................................................................... 30

4.3.6. Maintenance, multiplication and conservation of Septoria tritici isolates .................. 31

4.3.7. Bulk Segregant Analysis ............................................................................................. 31

4.3.8. DNA cloning from polymorphic bands ....................................................................... 31

4.3.9. Obtaining F2 generation from parental crossing ......................................................... 31

CHAPTER V ................................................................................................................................. 31

5.1. Results regarding DNA isolation ....................................................................................... 31

5.2. Results regarding septoria tritici blotch disease resistance on wheat using SSR technique

................................................................................................................................................... 31

5.2.1. Results regarding DNA amplification on parental lines ............................................. 31

5.2.2. Results regarding DNA amplification on double haploid lines .................................. 32

5.3. Results regarding assigning of RAPD markers to resistance genes based on cosegregation

................................................................................................................................................... 32

5.3.1. Results regarding DNA amplification on parental lines ............................................. 32

5.3.2. Obtaining hybrid material ........................................................................................... 33

5.4. Establishing linkage relationships between assigned RAPD markers and STB resistance

genes .......................................................................................................................................... 33

5.5. Results regarding cloning of amplification products ......................................................... 34

CONCLUSIONS ........................................................................................................................... 34

Page 26: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

26

SUMMARY

Object of the PhD thesis is the wheat disease Septoria tritici blotch, which has been

studied in order to identify molecular markers linked to resistance genes to the disease, using

molecular biology technique, especially using molecular markers. Testing was done mainly

using RAPD and SSR marker assisted selection to achieve the resistance of common wheat

(Triticum aestivum) to Septoria tritici pathogen.

Bread wheat is the most widely grown and consumed food crop in the world. This cereal

is attacked by many pathogens of which one of the most common is Mycosphaerella

graminicola (anamorph Septoria tritici) causing septoria tritici blotch disease. S. tritici is

considered to be more confined to Mediterranean-type climates (wet winters with temperate

temperatures). In our country this disease can occur during the rainy autumns and springs,

damage can reach 10-15% of the wheat yield. Wheat breeding is focused on developing widely

adapted, disease-resistant genotypes with high yields and grain quality that are stable across a

wide range of environments. Incorporating durable resistance is a priority since breeding for

stable yields without adequate resistance against the major diseases would be impossible.

This pathogen is now an important cause of wheat disease in Europe. Despite its

economic importance, molecular basis of virulence and pathogenicity of the pathogen are not

fully known (Palmer & Skinner, 2002). Several disease control methods, such as chemical

control and breeding for resistant cultivars, are taken in use to control this disease. The use of

fungicides is linked to a number of disadvantages that cannot be overlooked: - are expensive,

their production requires large quantities of raw materials and energy-intensive; - chemical

treatments should be repeated every year, and some are harmful to the environment, etc.

CHAPTER I

1.1. Pathogen agent and simptomatology

Mycosphaerella graminicola is a plant pathogenic bipolar heterothallic ascomycete

(Kema et al., 1996) that causes septoria tritici leaf blotch of wheat. The researchers deal with

genetic, cultural and chemical control measures which is one of the major means for protecting

wheat production. In Romania most currently grown wheat cultivars are more or less susceptible

to Septoria tritici, therefore, resistance to this pathogen is a highly-priority breeding goal

(Mincu, 1999). The fungus reproduces both sexually and asexually, primary infections being

initiated by airborne ascospores, which are produced in pseudothecia. Primary inoculum for the

wheat diseases caused by these pathogens is most often airborne ascospores, but may also be

wind- and rain-borne conidia. Symptoms typically appear within 14-21 days after initial

infection and there can be many cycles of asexual reproduction during the course of an epidemic.

New sources of resistance are required as only a few varieties currently available have

adequate levels of resistance. Location of resistance in synthetic wheat is interesting because

they are relatively easy to cross with common wheat and their resistance can be introgressed into

agronomically acceptable genotypes and combined with other resistances. Chromosomal

location of the resistance is the step preceding the development of recombinant chromosome

lines and mapping genes.

Higher levels of resistance are supposed to be genetically or epidemiologically linked to

late heading and tallness. The presence of genetic linkages can complicate the breeding for early

heading, short cultivars resistant to septoria tritici blotch. It is also necessary to know to what

extent resistance is present against a wide spectrum of isolates and whether that resistance is

expressed at all stages of plant development. Furthermore, some cultural practices, such as N-

fertilisation may modify the expression of the disease. Also the relation between disease

response and yield loss is not fully clarified.

Page 27: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

27

Incidence of S. tritici depends on cultivar susceptibility, inoculum availability, crop

management practices, and favorable environmental conditions (low temperature, high humidity,

and frequent rain). Climatic factors, especially precipitation, affect fungal growth and the amount

and timing of spore production, as well as the release, dispersal, and deposition of spores. This

fungus is pathogenic on number of Triticum spp. and causes severe yield losses on bread wheat

(Triticum aestivum) in most places where this crop is grown (Eyal et al., 1987).

1.2. Methods of disease control

The economic impact of this pathogen on wheat production (yield and quality) has

become more pronounced in part due to the increased genetic resistance of wheat to other foliar

pathogens, such as rusts and powdery mildew and low resistance of cultivars. The distribution of

this pathogen is dependent on wheat debris management and the involvement of both airborne

and splash-dispersal mechanism should dictate measures to reduce the amount of infected debris

in the wheat cropping systems. Disease severity can be modified by various cultural practices:

crop rotation is a key factor affecting the health and productivity of future wheat crops (Cook &

Veseth, 1991).

Researchers recommended proper crop rotation in combination with other practices to

reduce the severity of Septoria diseases, tillage operation such as plowing have been

recommended as a means to reduce residue (King et al., 1983). Cultural practices that reduce

wheat residue through plowing, burning, removal for feeding, crop rotation, etc., help remove the

major source of primary inoculum (Eyal et al., 1987). Management of the disease is by planting

of resistant cultivars when available or, when feasible economically, by spraying fungicides. A

variety of fungicides are recommended and used to control septoria tritici blotch: Bravo 500 SC,

Artea 330 EC, Prosaro 250 EC, Falcon 460 EC, etc. It is undeniable that in combating chemicals

were obtained some good results, but the use of fungicides is linked to a number of

disadvantages that cannot be overlooked:

fungicides are expensive, their production requires large quantities of raw materials and

energy-intensive; chemical treatments must be repeated every year or several times a year;

some are phytotoxic to certain varieties of the same culture and can be toxic to animals,

especially mammals and humans;

can change the ecological balance by polluting the atmosphere, soil and water;

favor the emergence of new forms of pest resistance to fungicides as a result of directional

selection pressure or mutagenic action of chemicals on the parasites.

Integrated control is to combine all the above control methods, with a series of measures

aimed to minimize the rate of infections and strengthen the capacity of plant development and

therefore their natural resistance. Implementation of all cultural hygiene measures, such as:

burying plant debris, plowing, sowing, and weed control are recommended and used in

controlling the pathogen (Ceapoiu et al., 1983).

1.3. Genetic determinism of wheat resistance to septoria tritici blotch

More than 12 resistance genes have been mapped, with one or more associated molecular

markers each. Stb1 named by Wilson in 1985 was identified on the wheat cultivar Bulgaria 88 by

Rillo and Caldwell (1966); genes Stb2 and Stb3 were identified in Australia by Wilson (1985),

and were derived originally from cvv. Veranopolis and Israel 493. Stb4 gene was discovered in

cv. Tadorna by Somasco et al. in 1996, and Stb8 gene was discovered in Synthetic W7984

wheat, mapped on 5Bl, 3BS, 6DS, 7DS and 7BL chromosomes.

The Stb1 gene was incorporated into the Indiana soft red winter cvv. Oasis (Patterson et

al., 1975, 1979), this gene provided long-lasting resistance to wheat in Indiana and other parts of

the Midwest US. The Stb4 gene was bred into Tadinia cv. And was effective for 15 years

(Somasco, 1996), but this resistance broke down by 2000 (Jackson et al., 2000) and cultivars that

contain it now are considered susceptible.

These genes are distributed on 10 wheat chromosomes, occurring equally on the A, B and

Page 28: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

28

D genomes (Goodwin S.B., 2007).

CHAPTER II

2.1. Characteristics and classification of molecular markers

Genetic markers represent genetic differences between individual organism or species;

generally, they do not represent the target genes themselves but act as “signs” or “flags”. Genetic

markers are located in close proximity to genes (“tightly linked”) may be referred to as gene

“tags”. These markers do not affect the phenotype of the trait of interest because they are located

only near or “linked” to genes controlling the trait. All genetic markers occupy specific genomic

positions within chromosomes (like genes) called “locus/loci”. There are three major types of

genetic markers:

► Morphological (classical or visible) - themselves are phenotypic traits or characters, for

example: flower colour, seed shape or pigmentation;

► Biochemical - include allelic variants of enzymes called isozymes (differences in enzymes),

can be detected by electrophoresis and specific staining;

► DNA or molecular - reveal sites of variation in DNA.

Molecular markers are the most widely used type of marker predominantly due to their

abundance, they arise from different classes of DNA mutations such as: substitution mutations

(point mutation), rearrangements (insertion or deletions) or errors in replication of tandem

repeated DNA. These markers are selectively natural because they are usually located in non-

coding regions of DNA; also they are practically unlimited in number and are not affected by

environmental factors and/or the developmental stage of the plant (Winter & Kahl, 1995).

2.2. Application of molecular markers in plant breeding

Using classical breeding methods the results obtained are dependent, in addition to other

factors, to the ability to differentiate genetic variations because most of the characters are

strongly influenced by the environmental conditions. Between different methods used the

possibility to identify phenotypic characters with simple genetic determinism and that are less

influenced by environment and associated with important traits, are great interest to the breeders.

These characters, named genetic marker or marker genes, are and has been used to improve

efficiency of breeding programs.

Identification of a new class of genetic markers, molecular markers, represents a truly

revolutionary event in plant improvement methodology. Strategies using molecular markers

reveal polymorphism; this molecular polymorphism is due to largely change of the amount of

repetitive DNA in plants genome.

Molecular markers are widely accepted as potentially valuable tools for crop

improvement in rice wheat, maize, barley, oilseeds and pasture species. Some studies suggest

that molecular markers will play a vital role in enhancing global food production by improving

the efficiency of conventional plant breeding programs (Kasha, 1999; Ortiz, 1998). The most

important applications of molecular markers in plant breeding are the marker assisted selection,

detecting diversity and genetic differences between populations.

Page 29: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

29

CHAPTER III

3.1. Marker assisted selection

Molecular markers that are tightly linked to genes of interest to breeders could be used

for marker assisted selection (Ribaut & Hoisington, 1998). The major breeding goals of mapping

and tagging genes are to perform indirect selection for desired traits using the linkage between

the target gene and a molecular marker, called marker assisted selection (MAS). MAS consist of

identification of a tight linkage between genes controlling agronomic traits and molecular

markers, and the use of these markers to improve lines or cultivars (Dudley 1993). The

availability of marker systems suitable for large-scale application of MAS and the ability to

analyze vast numbers of plants in a time-adequate and cost-effective manner is one of the major

constraints in MAS implementation.

3.2. Award markers to genes of interest

Assigning markers to the gene can be done in three ways:

1. Cosegregation - analyzing the relationship of linkage between marker and gene of interest: if

the distance between marker and gene is small, marker gene is assigned;

2. Near Izogenic Lines - obtained by backcross method;

3. Bulk Segregated Analysis - method involving F2 generation obtained by crosses between two

extreme forms: a resistant plant and sensitive plant that proved to be polymorphic at the

molecular level (Michelmore et al., 1991). F2 generation individuals are grouped on susceptible

and resistant individuals; two bulked DNA samples are generated, each bulk contains individuals

that are identical for a particular trait or genomic region, but arbitrary at all unlinked regions.

The two bulks are screened for differences using molecular markers: if molecular polymorphism

is revealed (an extra band) that means that molecular markers can be assigned to the gene that

selection has been made. This system works only if gene selection is made is in coupling phase

with molecular markers.

CHAPTER IV

4.1. Aim and objectives

The aim of this thesis was to find new molecular markers linked with common wheat

(Triticum aestivum) resistance genes to septoria tritici blotch (Septoria tritici) using marker

assisted selection (MAS).

The first goal of this project is to test microsatellite -SSR markers for wheat resistance

genes to septoria tritici blotch selection.

The second objective is to assign RAPD markers to resistance genes based on co

segregation.

The third objective is to assign RAPD markers based on Bulk Segregant Analysis.

The fourth objective relate to the DNA cloning from polymorphic bands, assigned to

resistance genes, in order to convert RAPD polymorphic markers into specific SCAR (Sequence

Characterized Amplified Region) markers.

4.2. Biological material

The biological material used was delivered from INCDA Fundulea, represented by:

Page 30: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

30

22 cultivars: 14 lines of bread wheat with field resistance to septoria tritici blotch and 8

susceptible lines to this disease;

9 double haploid lines with resistance to septoria tritici blotch;

23 double haploid lines: 21 resistant lines and 2 susceptible lines.

4.3. Working methods

4.3.1. DNA isolation and quantification

DNA isolation from biological material was made by Roger et al. protocol (1988). The

process comprises three major steps:

- Cell lyses and DNA release;

- Purification of a particular type of DNA;

- Achieving a DNA solution of known purity and concentration.

DNA quantification was made using NanoDrop UV/Vis 1µl Spectrophotometer (Labtech

International) connected to PC.

4.3.2. DNA amplification using RAPD markers

RAPDs are DNA fragments amplified by the Polymerase Chain Reaction (PCR) usig

short synthetic primers of random sequence (Williams et al., 1990); amplified fragments are

separated by electrophoresis and polymorphisms are detected as the presence or absence of

particular size. To amplify our DNA we used 20 random primers.

4.3.3. DNA amplification using SSR markers

Microsatellites are molecular marker loci consisting of tandem repeat units of very short

(1-5 basepairs) nucleotide motif, for ex. (AC)n.

In this study we tested 16 pairs of SSR primers, which are known that they are linked to

resistance genes to septoria tritici blotch.

4.3.4. Electrophoresis

DNA electrophoresis is an analytical technique used to separate DNA fragments by size.

DNA molecules which are to be analyzed are set upon a viscous medium, the gel, where an

electric field forces the DNA to migrate toward the positive potential, the anode, due to the net

negative charge of the phosphate backbone of the DNA chain. The separation of these fragments

is accomplished by exploiting the mobility with which different sized molecules are able to

traverse the gel: longer molecules migrate more slowly because they experience more drag

within the gel. The types of gel most commonly used for DNA electrophoresis are agarose (for

relatively long DNA molecules) and polyacrylamide (for high resolution of short DNA

molecules, for example in DNA sequencing).

4.3.5. Image capture and analysis

The DNA fragments of different lengths are visualized using a fluorescent dye specific

for DNA, such as ethidium bromide. The gel shows bands corresponding to different DNA

molecules populations with different molecular weight. Fragment size is usually reported in

"nucleotides", "base pairs" or "kb" (for thousands of base pairs) depending upon whether single-

or double-stranded DNA has been separated. Fragment size determination is typically done by

comparison to commercially available DNA ladders containing linear DNA fragments of known

length. The visualization of PCR products was made with BioSpectrum AC Imaging System

(Ultra Violet Products, UVP) and they were analyzed using Vision Works LS program.

Page 31: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

31

4.3.6. Maintenance, multiplication and conservation of Septoria tritici isolates

Septoria tritici isolates (IPO 232, IPO 94269) were provided by Wageningen University

(Netherland) useful for artificial infection of our wheat hybrids. In order to multiply and

conserve these isolates were necessary two culture media: PDA (Potato Dextrose Agar) and

YGM (Yeas Glucose Medium); pure culture was criopreserved for future experiments.

4.3.7. Bulk Segregant Analysis

Bulk Segregant Analysis method is a rapid procedure for identifying markers in specific

regions of the genome (Michelmore et al., 1991); the method involves comparing two pooled

DNA samples of individuals from a segregating population originating from a single crosses.

Within each bulk the individuals are identical for the trait or gene of interest but are arbitrary for

all other genes; the two pools contrasting for a trait, e.g., resistant and susceptible to a particular

disease, in this case, septoria tritici blotch, are analyzed to identify markers that distinguish them.

Markers that are polymorphic between the pools will be genetically linked to the loci

determining the trait used to construct the pools. This method has immediate applications in

developing genetic maps (O’Brien, 1990).

4.3.8. DNA cloning from polymorphic bands

The last objective of this thesis was related to the DNA cloning from polymorphic bands,

in order to convert RAPD polymorphic markers into specific SCAR (Sequence Characterized

Amplified Region) markers. DNA cloning is a technique to reproduce DNA fragments. It can be

achieved by two different approaches: cell base and using Polymerase Chain Reaction. Parental

wheat DNA was amplified with RAPD markers, followed by electrophoresis and polymorphic

bands were excised from agarose gel. PCR products were cloned using pGEM Easy Vector

Sistem (Promega), pJET 1.2/blunt (CloneJETTM

PCR Cloning Kit, Fermentas), and PTZ57/T

vector (InsTAcloneTM

Cloning Kit, Fermentas).

4.3.9. Obtaining F2 generation from parental crossing

Biological material was sown in experimental field in autumn 2006, the wear following

crosses were performed using all parental lines with filed resistance to septoria tritici blotch and

three susceptible parents (15- Farmec; 16- Delabrad; 17- F96869G1-108). F1 hybrids were sown

in autumn 2007; following year we harvested F2 generation in order to test the resistance to

Septoria tritici pathogen.

CHAPTER V

5.1. Results regarding DNA isolation

DNA isolation from wheat leaves was carried out as described by Roger et al. (1988),

CTAB-based method. Good results were obtained.

5.2. Results regarding septoria tritici blotch disease resistance on wheat using SSR technique

5.2.1. Results regarding DNA amplification on parental lines

To achieve the first objective of this thesis we tested microsatellite markers in order to

achieve marker-assisted selection for resistance in wheat to Septoria. Our trials were to find what

genes are present in our biological material. The parental lines considered resistant to septoria

tritici blotch (1 to 14) and susceptible forms were tested using several SSR markers described in

the literature as associated with Septoria resistance genes, also field phenotypic evaluation has

been made.

Page 32: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

32

In our experiment two markers (Xgwm44 and Xgwm111) could not discriminate the

Septoria resistant from the susceptible form. The Xgwm44 marker, revealed a not very obvious

the 182 bp product amplification, associated with Stb5resistance gene (the 182 bp band appeared

only at one line).The Xgwm 577 marker provided good results; a 180 bp product of

amplification, associated with Stb8 resistance, gene was present at some resistant lines (8, 11, 13

and 14), so we can consider that these lines carry Stb8. The pSCH20 marker, specific to rye

genome, appeared in the individual plants from 2, 6, 7, 8, 10, 11, 13 and 14 resistant lines to

Septoria. This suggests that resistance genes come from rye genome.

5.2.2. Results regarding DNA amplification on double haploid lines

The Xgwm493 marker linked to Stb2 locus gave straightforward results (figure 1).

Figure 1. Amplification products obtained with Xgwm493 marker, L- ladder 50 bp

Most of the field resistant double haploid lines had amplification products similar to those

of the susceptible lines (22 and 23), being considered deprived of STB2 allele for resistance to

septoria tritici leaf blotch. Only two lines (9 and 11) had amplification products considered as

harboring Stb2 allele for resistance. Good results were obtained for Stb4 with Xgwm111 marker

and Stb6 with Xgwm369 marker.

5.3. Results regarding assigning of RAPD markers to resistance genes based on cosegregation

5.3.1. Results regarding DNA amplification on parental lines

RAPD markers linked with Septoria resistance genes could be revealed by analysis of

molecular polymorphism obtained with different primers among different resistant wheat lines

and susceptible wheat parental forms. For each primer, we can consider as candidate that marks a

resistance gene, the amplification products present in resistant lines and absent in the susceptible

parent.

Figure 2. Amplification products obtained with OPH20 marker,

L- ladder 100 bp

The OPH20 primer that usually gives one 1400 bp product of amplification for rye

introgression in the wheat genome has given such a product in almost all resistant lines (figure

2).

The OPC4 primer gives two candidates, one of approximately 510 bp and another of

approximately 1500 bp revealed in almost all resistant lines. The OPC 13 primer gives one

candidate of 350 bp and the Mic 14 primer gives one candidate of 550 bp.

Page 33: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

33

5.3.2. Obtaining hybrid material

To achieve the third objective of this thesis we made crosses between resistant plants with

susceptible S. tritici pathogen; F1 hybrids were obtained which were self pollinated resulting F2

segregating generation (Table 1).

Table 1.

F2 generation obtained in field

No. Hybrids Genealogy

Resistant parent x Susceptible parent

1. P1 X

P16

ALTAR 84/Aegilopsis squarosa (219)/2

SERI/3/F96869G1-1

x DELABRAD

2. P4 X

P16 FARMEC/Aegilopsis squarosa x DELABRAD

3. P5 X

P16

CIT 3/ T. Tauschi (T2450)/Boema/3/F95160G1-3

x DELABRAD

4. P6 X

P16

CIT3/T.Tauschi(T2460)/229S31202/3/Bucur/4/ Jiana

x DELABRAD

5. P8 X

P16

TAM1074/T.Timopheevi(TA870),(KSWGRC36)/Glosa

x DELABRAD

6. P5 X

P17

CIT 3/ T. Tauschi (T2450)/Boema/3/F95160G1-3 x

F96869G1-108 x DELABRAD

7. P6 X

P17

CIT3/T.Tauschi(T2460)/229S31202/3/Bucur/4/ Jiana

x F96869G1-108

8. P9 X

P17

T. Timopheevi/T. Monococum/2 F132/3/2 Crina x

F96869G1-108

5.4. Establishing linkage relationships between assigned RAPD markers and STB resistance

genes

Genetic mapping of STB resistance genes progressed rapidly after 1995 and now more

than 12 genes have been mapped, with one or more associated molecular markers each, these

genes are distributed on 10 wheat chromosomes, occurring equally on the A, B and D genomes

(Goodwin, 2007).

Good flanking markers are essential to ensure that the resistance gene is not lost during

the process of marker assisted selection. It is desirable to have markers that are linked more

closely than those identified thus far, both for marker assisted selection and for possible map-

based cloning of the genes in the future Cloning and sequencing of the correct locus can allow

the primers to be extended and possibly made more specific.

Another use for molecular markers will be to combine resistance to multiple diseases and

pests, this is being attempted already for the Stb2 gene on chromosome 3BS. This chromosome

arm also contains gene Sr2 for resistance against stem rust, and major quantitative trait loci

(QTL) for resistance to Stagonospora nodorum blotch and Fusarium head scab. All of these

resistances originated in different cultivars of wheat. Attempts are under way to combine these in

coupling into a single linkage block with good resistance to all four diseases. Similar map

locations between other STB resistance genes and genes for resistance to various pests and

Page 34: SELECTIA ASISTATĂ DE MARKERI MOLECULARI ...unor genotipuri rezistente la boli, care să prezinte calitate, randament, şi să fie stabile într-o gamă largă de medii de viaţă

34

pathogens also exist and could be exploited to develop linkage blocks with multiple resistances.

In this study we aimed to establish linkage relationships between molecular markers like

RAPD’s and STB resistance genes using F2 generation analysis. F2 generation is the result of

various crosses between the resistance forms to Septoria tritici with susceptible forms to this

disease. Good results were obtained by testing OPA11, OPC13 and OPC04 markers: OPA11

marker is linked to Stb resistance gene at the distance of 6 cM, OPC 13 is linked at the distance

of 3 cM and OPC04 is linked at the distance of 2 cM.

5.5. Results regarding cloning of amplification products

The last objective of our research is the cloning of DNA bands obtained by amplification

of polymorphic DNA with RAPD markers. This objective was achieved by cloning DNA of a

resistant line with RAPD markers that were assigned previous to the resistance gene. For DNA

amplification we used three RAPD markers (OPH20, OPC04 and OPC13). Best results were

obtained with CloneJET TM

Cloning Kit.

The white colonies were multiplied on LB media supplemented with appropriate

antibiotic, then plasmid DNA was isolated and sequenced in order to design specific primers and

converting RAPD marker into SCAR marker.

CONCLUSIONS

Conclusions concerning the issuing of the first objective proposed in this thesis – testing

microsatellite -SSR markers for wheat resistance genes to septoria tritici blotch selection:

Isolation of DNA was performed according to protocol using CTAB, quantity and purity

of DNA obtained was good; SSR markers have been used successfully for the selection of

segregating generation of individuals carriers of alleles for resistance to Septoria and carrier

selection double haploid lines of resistance genes:

The double haploid lines tested carried at least one resistance gene, most frequently Stb4,

Stb7 and Stb8. For resistance genes Stb1, Stb3, Stb5 and Stb6 results were not conclusive.

Individual plants within each double haploid line were not segregated confirming their

homozygous nature.

Conclusions concerning the issuing of the second objective -assigning RAPD markers to

resistance genes based on co segregation:

RAPD markers tested gave good amplification in all genotypes studied: of the 20 markers

tested, 11 showed polymorphism in bulk populations from recombinant lines resistant to

Septoria tritici, compared to parental forms characterized to be susceptible to this pathogen:

Polymorphic bands obtained are considered as candidate molecular markers for Septoria

tritici resistance genes.

Conclusions concerning the issuing of the third objective - assigning RAPD markers

based on Bulk Segregant Analysis method:

Were obtained eight F2 combinations which have tested using artificial infection with

spores of S. tritici. Molecular analyses were performed on bulks of resistant and susceptible

plants with RAPD markers. Linkage relations were established between RAPD markers and

resistance genes to septoria tritici blotch.

Conclusions concerning the issuing of the fourth objective -DNA cloning from

polymorphic bands, assigned to resistance genes, in order to convert RAPD polymorphic

markers into specific SCAR markers:

Parental DNA was cloned using CloneJETTM

cloning kit and OPC13 (RAPD marker)

(350 bp polymorphic band). After cloning and sequencing DNA, SCAR markers are designed.