Identification of Functional Markers for Freezing Tolerance in Perennial Ryegrass (Lolium perenne L.)

Abstract

Perennial ryegrass (Lolium perenne L.) is a key species for temperate pasture agriculture, however, winterkill can be severe, especially where harsh winters with no snow cover occur. Freezing tolerance is a quantitative trait, therefore the elucidation of the underlying genetic mechanisms is complicated. The main aim of this research work was to evaluate freezing tolerance in perennial ryegrass as well as to identify genes and genetic variants underlying this important trait. During the research, a high-throughput screening method has been adopted for freezing tolerance evaluation at the population level and the freezing tolerance was determined in a large panel of diverse perennial ryegrass populations. Also, the suitability of indirect evaluation methods for freezing tolerance in perennial ryegrass was considered in this study. Moreover, it was elucidated how ploidy level affects the freezing tolerance in perennial ryegrass. Further, the LpIRI1 gene, which encodes an antifreeze protein, was screened in a panel of individual genotypes and variable sites were identified within the gene. It was also determined how allelic variation in LpIRI1 gene affects cell membrane stability under freezing conditions. Genome-wide association study (GWAS) approach was applied for the first time to identify genetic markers for freezing tolerance in perennial ryegrass populations. A pooled-GWAS for freezing tolerance was performed by using of 1.2 million SNP markers obtained through GBS (Genotyping-by-Sequencing). GWAS yielded eight markers with a highly expressed bias to genic regions and a number of genes with a known role in response to abiotic stresses were identified on marker-tagged genomic scaffolds. Identified associations provide new knowledge on this extremely complex trait in perennial plants.

Daugiametė svidrė (Lolium perenne L.) yra vienas vertingiausių pašarinių žolinių augalų, tačiau sunkiai pakenčia šaltas, permainingas žiemas. Atsparumas šalčiui yra sudėtingas kiekybinis požymis, tad atsakingų genų identifikavimas yra nelengvas uždavinys, nes paprastai atskirų genų indėlis yra nedidelis ir sunkiai aptinkamas. Šis darbas buvo skirtas įvertinti daugiametės svidrės atsparumą šalčiui ir nustatyti su šiuo požymiu siejamus genetinius žymeklius. Taip pat buvo vertinta ir netiesioginių daugiametės svidrės atsparumo šalčiui metodų pritaikymo galimybė. Darbe nagrinėtas LpIRI1 geno, koduojančio priešužšaliminį baltymą, polimorfizmas ir nustatyti funkciniai žymekliai, siejami su ląstelių membranų stabilumu žemose temperatūrose. Šiame darbe taikytas didelio našumo metodas, skirtas įvertinti atsparumą šalčiui populiacijų lygmenyje bei atlikti išsamūs, didelės apimties tyrimai, kurių metu buvo įvertintas daugiametės svidrės populiacijų atsparumas šalčiui. Be to, nustatyta, kaip ploidiškumo lygis veikia daugiametės svidrės populiacijų atsparumą šalčiui. Įvertintos Europos laukinių daugiametės svidrės populiacijų atsparumo šalčiui sąsajos su augaviečių geografine padėtimi. Šio mokslinio darbo metu viso genomo asociacijų analizės metodas (angl. GWAS) pirmą kartą taikytas daugiametės svidrės atsparumo šalčiui genetinių žymeklių identifikavimui ir nustatyti aštuoni žymekliai, galimai susiję su šiuo augalo požymiu. Identifikuotais žymekliais paženklintose genominėse sąrankose aptikta genų, siejamų su atsparumu abiotiniams veiksniams. Gauti darbo rezultatai papildo mokslo žinias apie sudėtingą augalų atsparumo šalčiui požymį.