Systematic molecular and phenotypic investigation of speltoid off-types in bread wheat germplasm

Abstract

Speltoide Brotweizen sind phänotypisch durch spitze Ähren und feste Spelzen gekennzeichnet. Das Auftreten im Rahmen von offiziellen Prüfungen ist einer der Hauptgründe für die Ablehnung eines Sortenkandiaten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit systematischen molekularen und phänotypischen Untersuchungen von Speltoiden zur Züchtung homogener Weizensorten. Mittels Pyrosequenzierung ist die Detektion von Speltoiden im Keimlingsstadium möglich, wobei Abweicher im Brotweizen eine reduzierte 5AQ Kopienzahl zeigen. Die Evolution des Domestikationsgenes Q führte zur Domestizierung von freidreschendem Weizen. Der speltoide Phänotyp steht im direkten Zusammenhang mit dem Verlust des Chromosoms 5A inklusive Q, einem reduzierter Expressionslevel von Q,sowie pleiotrope Veränderungen auf morphologische Merkmale. Feldversuche zeigen genotypische und umweltbedingte Einflüsse zur Vererbung von Speltoiden bzw. Aneuploiden. Züchterische Vermeidungsstrategien sind im Rahmen dieser Arbeit diskutiert.

Speltoid bread wheat plants are phenotypically characterized by pyramidal spikes and tenacious glumes. The occurrence during official licensing tests is one major cause for the rejection cultivar candidate. The presented study focuses on genetic and phenotypic investigations of speltoids off-types. A pyrosequencing assay enabling the detection of speltoid bread wheat plants in seedling stage is presented. The verification in bread wheat germplasm is associated with a reduced 5AQ gene copy number. The Q gene is one of the major domestication genes causing the free-threshing character in bread wheat plants and the speltoid phenotype is most likely explainable due to the loss of the chromosome 5A. Further, a reduced expression level of Q is measured and pleiotropic morphological alterations governed by Q are observed. Field trial analysis revealed genotypic and environmental causes for the inheritance of speltoids or aneuploid plants. Breeding strategies to avoid them are discussed.