Published September 24, 2021 | Version v1
Publication Open

Genome-Wide Association Study Reveals Novel Genetic Loci for Quantitative Resistance to Septoria Tritici Blotch in Wheat (Triticum aestivum L.)

Creators

  • 1. Addis Ababa University
  • 2. CABI Kenya
  • 3. International Maize and Wheat Improvement Center
  • 4. United States Department of Agriculture
  • 5. Agricultural Research Service
  • 6. Ethiopian Institute of Agricultural Research

Description

Septoria tritici blotch, caused by the fungus Zymoseptoria titici , poses serious and persistent challenges to wheat cultivation in Ethiopia and worldwide. Deploying resistant cultivars is a major component of controlling septoria tritici blotch (STB). Thus, the objective of this study was to elucidate the genomic architecture of STB resistance in an association panel of 178 bread wheat genotypes. The association panel was phenotyped for STB resistance, phenology, yield, and yield-related traits in three locations for 2 years. The panel was also genotyped for single nucleotide polymorphism (SNP) markers using the genotyping-by-sequencing (GBS) method, and a total of 7,776 polymorphic SNPs were used in the subsequent analyses. Marker-trait associations were also computed using a genome association and prediction integrated tool (GAPIT). The study then found that the broad-sense heritability for STB resistance ranged from 0.58 to 0.97 and 0.72 to 0.81 at the individual and across-environment levels, respectively, indicating the presence of STB resistance alleles in the association panel. Population structure and principal component analyses detected two sub-groups with greater degrees of admixture. A linkage disequilibrium (LD) analysis in 338,125 marker pairs also detected the existence of significant ( p ≤ 0.01) linkage in 27.6% of the marker pairs. Specifically, in all chromosomes, the LD between SNPs declined within 2.26–105.62 Mbp, with an overall mean of 31.44 Mbp. Furthermore, the association analysis identified 53 loci that were significantly (false discovery rate, FDR, <0.05) associated with STB resistance, further pointing to 33 putative quantitative trait loci (QTLs). Most of these shared similar chromosomes with already published Septoria resistance genes, which were distributed across chromosomes 1B, 1D, 2A, 2B, 2D, 3A,3 B, 3D, 4A, 5A, 5B, 6A, 7A, 7B, and 7D. However, five of the putative QTLs identified on chromosomes 1A, 5D, and 6B appeared to be novel. Dissecting the detected loci on IWGSC RefSeq Annotation v2.1 revealed the existence of disease resistance-associated genes in the identified QTL regions that are involved in plant defense responses. These putative QTLs explained 2.7–13.2% of the total phenotypic variation. Seven of the QTLs ( R 2 = 2.7–10.8%) for STB resistance also co-localized with marker-trait associations (MTAs) for agronomic traits. Overall, this analysis reported on putative QTLs for adult plant resistance to STB and some important agronomic traits. The reported and novel QTLs have been identified previously, indicating the potential to improve STB resistance by pyramiding QTLs by marker-assisted selection.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تشكل بقعة سيبتوريا تريتسي، التي تسببها الفطريات زيموسيبتوريا تيتسي، تحديات خطيرة ومستمرة لزراعة القمح في إثيوبيا وجميع أنحاء العالم. يعد نشر الأصناف المقاومة مكونًا رئيسيًا للتحكم في بقع الحاجز التريتسي (STB). وبالتالي، كان الهدف من هذه الدراسة هو توضيح البنية الجينية لمقاومة STB في لوحة ارتباط من 178 نمطًا وراثيًا من القمح والخبز. تم تصميم لوحة الارتباط بشكل ظاهري لمقاومة STB، والفينولوجيا، والمحصول، والسمات المتعلقة بالمحصول في ثلاثة مواقع لمدة عامين. كما تم تصميم اللوحة جينيًا لعلامات تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة باستخدام طريقة التنميط الجيني حسب التسلسل (GBS)، وتم استخدام ما مجموعه 7776 من تعدد أشكال النوكليوتيدات في التحليلات اللاحقة. كما تم حساب ارتباطات العلامات والسمات باستخدام أداة متكاملة لارتباط الجينوم والتنبؤ (GAPIT). ثم وجدت الدراسة أن الوراثة واسعة النطاق لمقاومة STB تراوحت بين 0.58 إلى 0.97 و 0.72 إلى 0.81 على مستوى الفرد وعبر البيئة، على التوالي، مما يشير إلى وجود أليلات مقاومة STB في لوحة الارتباط. كشف هيكل السكان وتحليلات المكونات الرئيسية عن مجموعتين فرعيتين بدرجات أكبر من الاختلاط. كشف تحليل اختلال التوازن الارتباطي (LD) في 338،125 زوجًا من العلامات أيضًا عن وجود ارتباط كبير ( p ≤ 0.01) في 27.6 ٪ من أزواج العلامات. على وجه التحديد، في جميع الكروموسومات، انخفض LD بين SNPs في حدود 2.26–105.62 ميغابت في الثانية، بمتوسط إجمالي قدره 31.44 ميغابت في الثانية. علاوة على ذلك، حدد تحليل الارتباط 53 موقعًا كانت مرتبطة بشكل كبير (معدل الاكتشاف الخاطئ، FDR، < 0.05) بمقاومة STB، مما يشير كذلك إلى 33 موقعًا كميًا مفترضًا (QTLs). تشترك معظم هذه الكروموسومات المماثلة مع جينات مقاومة السيبتوريا المنشورة بالفعل، والتي تم توزيعها عبر الكروموسومات 1B و 1D و 2A و 2B و 2D و 3A و 3 B و 3D و 4A و 5A و 5B و 6A و 7A و 7B و 7D. ومع ذلك، يبدو أن خمسة من QTLs المفترضة المحددة على الكروموسومات 1A و 5D و 6B جديدة. كشف تحليل المواضع المكتشفة في تعليق IWGSC RefSeq التوضيحي v2.1 عن وجود جينات مرتبطة بمقاومة الأمراض في مناطق QTL المحددة التي تشارك في استجابات الدفاع عن النبات. أوضحت هذه QTLs المفترضة 2.7–13.2 ٪ من إجمالي التباين الظاهري. كما شاركت سبعة من QTLs ( R 2 = 2.7-10.8 ٪) لمقاومة STB في تحديد موقعها مع ارتباطات سمات العلامات (MTAs) للسمات الزراعية. بشكل عام، أفاد هذا التحليل عن QTLs المفترضة لمقاومة النباتات البالغة لمرض السل وبعض السمات الزراعية المهمة. تم تحديد QTLs المبلغ عنها والجديدة سابقًا، مما يشير إلى إمكانية تحسين مقاومة STB من خلال هرم QTLs عن طريق الاختيار بمساعدة العلامة.

Translated Description (French)

La septoria tritici blotch, causée par le champignon Zymoseptoria titici, pose des défis graves et persistants à la culture du blé en Éthiopie et dans le monde. Le déploiement de cultivars résistants est un élément majeur du contrôle de la septoria tritici blotch (STB). Ainsi, l'objectif de cette étude était d'élucider l'architecture génomique de la résistance aux STB dans un panel d'association de 178 génotypes de blé panifiable. Le panel d'association a été phénotypé pour la résistance à la STB, la phénologie, le rendement et les traits liés au rendement dans trois endroits pendant 2 ans. Le panel a également été génotypé pour les marqueurs de polymorphisme mononucléotidique (SNP) en utilisant la méthode de génotypage par séquençage (GBS), et un total de 7 776 SNP polymorphes ont été utilisés dans les analyses ultérieures. Les associations marqueurs-trait ont également été calculées à l'aide d'un outil intégré d'association et de prédiction du génome (GAPIT). L'étude a ensuite révélé que l'héritabilité au sens large de la résistance STB variait de 0,58 à 0,97 et de 0,72 à 0,81 aux niveaux individuel et trans-environnemental, respectivement, indiquant la présence d'allèles de résistance STB dans le panel d'association. Les analyses de la structure de la population et des composants principaux ont détecté deux sous-groupes avec des degrés de mélange plus élevés. Une analyse du déséquilibre de liaison (LD) dans 338 125 paires de marqueurs a également détecté l'existence d'une liaison significative ( p ≤ 0,01) dans 27,6 % des paires de marqueurs. Plus précisément, dans tous les chromosomes, la DL entre les SNP a diminué entre 2,26 et 105,62 Mbp, avec une moyenne globale de 31,44 Mbp. En outre, l'analyse d'association a identifié 53 locus qui étaient significativement (taux de fausse découverte, FDR,< 0,05) associés à la résistance STB, indiquant en outre 33 locus de caractères quantitatifs (QTL) putatifs. La plupart de ces chromosomes partageaient des chromosomes similaires avec des gènes de résistance Septoria déjà publiés, qui étaient distribués entre les chromosomes 1B, 1D, 2A, 2B, 2D, 3A ,3B, 3D, 4A, 5A, 5B, 6A, 7A, 7B et 7D. Cependant, cinq des QTL putatifs identifiés sur les chromosomes 1A, 5D et 6B semblaient être nouveaux. La dissection des locus détectés sur l'annotation RefSeq v2.1 d'IWGSC a révélé l'existence de gènes associés à la résistance aux maladies dans les régions QTL identifiées qui sont impliquées dans les réponses de défense des plantes. Ces QTL présumés expliquaient 2,7-13,2 % de la variation phénotypique totale. Sept des QTL ( R 2 = 2,7-10,8 %) pour la résistance aux STB ont également été co-localisés avec des associations marqueurs-trait (ATM) pour les traits agronomiques. Dans l'ensemble, cette analyse a rapporté des QTL putatifs pour la résistance des plantes adultes aux STB et certains traits agronomiques importants. Les QTL rapportés et nouveaux ont été identifiés précédemment, indiquant le potentiel d'améliorer la résistance des STB en pyramidant les QTL par sélection assistée par marqueurs.

Translated Description (Spanish)

La mancha de Septoria tritici, causada por el hongo Zymoseptoria titici , plantea serios y persistentes desafíos al cultivo de trigo en Etiopía y en todo el mundo. El despliegue de cultivares resistentes es un componente importante para controlar la mancha de septoria tritici (STB). Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue dilucidar la arquitectura genómica de la resistencia a STB en un panel de asociación de 178 genotipos de trigo para pan. El panel de asociación se fenotipó para determinar la resistencia a STB, la fenología, el rendimiento y los rasgos relacionados con el rendimiento en tres ubicaciones durante 2 años. El panel también se genotipó para marcadores de polimorfismo de nucleótido único (SNP) utilizando el método de genotipado por secuenciación (GBS), y se utilizó un total de 7,776 SNP polimórficos en los análisis posteriores. Las asociaciones marcador-rasgo también se calcularon utilizando una herramienta integrada de asociación y predicción del genoma (GAPIT). El estudio luego encontró que la heredabilidad de sentido amplio para la resistencia a STB varió de 0.58 a 0.97 y de 0.72 a 0.81 a nivel individual y en todo el entorno, respectivamente, lo que indica la presencia de alelos de resistencia a STB en el panel de asociación. Los análisis de la estructura de la población y de los componentes principales detectaron dos subgrupos con mayores grados de mezcla. Un análisis de desequilibrio de ligamiento (LD) en 338,125 pares de marcadores también detectó la existencia de ligamiento significativo ( p ≤ 0.01) en el 27.6% de los pares de marcadores. Específicamente, en todos los cromosomas, la LD entre los SNP disminuyó dentro de 2.26-105.62 Mbp, con una media general de 31.44 Mbp. Además, el análisis de asociación identificó 53 loci que estaban significativamente (tasa de descubrimiento falso, FDR, < 0.05) asociados con la resistencia a STB, lo que apunta a 33 supuestos loci de rasgos cuantitativos (QTL). La mayoría de estos compartían cromosomas similares con genes de resistencia a Septoria ya publicados, que se distribuyeron entre los cromosomas 1B, 1D, 2A, 2B, 2D, 3A,3B, 3D, 4A, 5A, 5B, 6A, 7A, 7B y 7D. Sin embargo, cinco de los supuestos QTL identificados en los cromosomas 1A, 5D y 6B parecían ser novedosos. La disección de los loci detectados en IWGSC RefSeq Annotation v2.1 reveló la existencia de genes asociados a la resistencia a enfermedades en las regiones QTL identificadas que están involucradas en las respuestas de defensa de las plantas. Estos supuestos QTL explicaron el 2.7-13.2% de la variación fenotípica total. Siete de los QTL ( R 2 = 2.7-10.8%) para la resistencia a STB también se localizaron conjuntamente con las asociaciones marcador-rasgo (MTA) para los rasgos agronómicos. En general, este análisis informó sobre supuestos QTL para la resistencia de las plantas adultas a STB y algunos rasgos agronómicos importantes. Los QTL informados y novedosos se han identificado previamente, lo que indica el potencial de mejorar la resistencia a STB piramidando los QTL mediante selección asistida por marcadores.

Files

pdf.pdf

Files (2.0 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:83b6a1bb73f57f3b3bda25ffa220ba0c
2.0 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تكشف دراسة جمعية الجينوم على نطاق واسع عن مواضع وراثية جديدة للمقاومة الكمية لبقع سيبتوريا تريتيشي في القمح (Triticum aestivum L.)
Translated title (French)
Une étude d'association à l'échelle du génome révèle de nouveaux locus génétiques pour la résistance quantitative à Septoria Tritici Blotch dans le blé (Triticum aestivum L.)
Translated title (Spanish)
Un estudio de asociación de todo el genoma revela nuevos loci genéticos para la resistencia cuantitativa a la mancha de Septoria tritici en el trigo (Triticum aestivum L.)

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3203537802
DOI
10.3389/fpls.2021.671323

Is supplement to
https://openalex.org/W4301108896 (Other)
https://openalex.org/W2892192261 (Other)
https://openalex.org/W2562041669 (Other)
https://openalex.org/W2339350771 (Other)
https://openalex.org/W2291170462 (Other)
https://openalex.org/W2166984889 (Other)
https://openalex.org/W2163946447 (Other)
https://openalex.org/W2142954126 (Other)
https://openalex.org/W1773200721 (Other)
https://openalex.org/W1703173659 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ethiopia

References

  • https://openalex.org/W1963993810
  • https://openalex.org/W1969979899
  • https://openalex.org/W1970992071
  • https://openalex.org/W1981154280
  • https://openalex.org/W1981890390
  • https://openalex.org/W1995575397
  • https://openalex.org/W1997474423
  • https://openalex.org/W1998377076
  • https://openalex.org/W2017543002
  • https://openalex.org/W2025349291
  • https://openalex.org/W2027513483
  • https://openalex.org/W2028314113
  • https://openalex.org/W2030797788
  • https://openalex.org/W2035839217
  • https://openalex.org/W2035875296
  • https://openalex.org/W2035950226
  • https://openalex.org/W2039121729
  • https://openalex.org/W2040295500
  • https://openalex.org/W2040628583
  • https://openalex.org/W2058229316
  • https://openalex.org/W2064610114
  • https://openalex.org/W2067715889
  • https://openalex.org/W2082729459
  • https://openalex.org/W2090906143
  • https://openalex.org/W2101101724
  • https://openalex.org/W2108877347
  • https://openalex.org/W2110035718
  • https://openalex.org/W2111102243
  • https://openalex.org/W2111219245
  • https://openalex.org/W2114891756
  • https://openalex.org/W2118743560
  • https://openalex.org/W2119264284
  • https://openalex.org/W2119924680
  • https://openalex.org/W2123836954
  • https://openalex.org/W2141282191
  • https://openalex.org/W2147299002
  • https://openalex.org/W2159474015
  • https://openalex.org/W2161339576
  • https://openalex.org/W2161620511
  • https://openalex.org/W2164793547
  • https://openalex.org/W2178627591
  • https://openalex.org/W2245431030
  • https://openalex.org/W2252512272
  • https://openalex.org/W2313931749
  • https://openalex.org/W2315765905
  • https://openalex.org/W2561267978
  • https://openalex.org/W2597303766
  • https://openalex.org/W2603919704
  • https://openalex.org/W2746840756
  • https://openalex.org/W2756388215
  • https://openalex.org/W2782330172
  • https://openalex.org/W2886785109
  • https://openalex.org/W2903241152
  • https://openalex.org/W2920634829
  • https://openalex.org/W2941025290
  • https://openalex.org/W2946258139
  • https://openalex.org/W2946660628
  • https://openalex.org/W2948013457
  • https://openalex.org/W2951505541
  • https://openalex.org/W2955832374
  • https://openalex.org/W2961487642
  • https://openalex.org/W2991624281
  • https://openalex.org/W2993439509
  • https://openalex.org/W2994157012
  • https://openalex.org/W2999007365
  • https://openalex.org/W3016420577
  • https://openalex.org/W3027138631
  • https://openalex.org/W3161117170
  • https://openalex.org/W566471755
  • https://openalex.org/W610160850