Assessment of genetic diversity in yellow rust disease resistant wheat (Triticum aestivum L.) genepool and gene expression analyses

Abstract

Puccinia striiformis f. sp. tritici adlı fungal patojenin neden olduğu sarı pas hastalığı buğdayda (Triticum aestivum L.) özellikle epideminin görüldüğü yıllarda önemli verim kayıplarına neden olmaktadır. Bu çalışmada sarı pasa dayanıklı kışlık ekmeklik buğday çeşitlerinin yer aldığı gen havuzunda genetik çeşitlilik ve sarı pas dayanıklılığı ile ilişkili olan Yr10 geninin anlatım profili ortaya konuldu. Genetik çeşitlilik çalışmalarında farklı derecelerde sarı pas dayanıklılığı gösteren 30'u Türkiye'den 25 tanesi de Orta Doğu'dan olmak üzere toplam 55 kışlık ekmeklik buğday genotipinde A, B ve D genomlarına dağılmış olan 117 SSR markörünün kullanımıyla `Principal Component Analysis` (PCA) gerçekleştirildi. Her iki populasyon kendi içinde ayrı ayrı değerlendirildiğinde genetik olarak Çetinel-2000 ve Türkmen'in Türkiye için, Behoth 8 ve Douma 4'nın ise Orta Doğu için en yakın çeşitler olduğu belirlendi. Türkiye ve Orta Doğu populasyonlarının birarada değerlendirildiği durumda ise genetik olarak en uzak genotip çiftlerinin Ceyhan-99 – Behoth 6, Gerek 79 – Douma 40989 ve Karahan-99 – Douma 48114 olduğu gösterildi. Tüm populasyonların dağılımını göstermek amacıyla gerçekleştirilen Structure analizi sonucunda gen havuzumuzdaki materyalin beklenildiği gibi Türkiye ve Orta Doğu'nun yanısıra her ikisinde de yer alan populasyonları içeren üçüncü bir ortak dağılım bölgesi oluşturduğu belirlendi. Sarı pas dayanıklılığı ile ilişkili Yr10 geninin mevcut gen havuzunda varlığının ortaya konmasını takiben Gerek 79 ve Türkmen çeşitleriyle pozitif kontrol olarak kullanılan Avocet Yr10'da sarı pas inokülasyonu gerçekleştirilerek Yr10 geninin 7 farklı zaman diliminde (0. saat – MOCK, 15.dakika, 12.saat, 24. saat, 48.saat, 72.saat, 96.saat) gerçek zamanlı anlatım profili ortaya konuldu. Sonuçlar değerlendirildiğinde tüm genotipler için Yr10 geninin anlatımının en fazla 24.saatte düştüğü belirlendi. Yr10 geninin anlatımı Gerek 79'da 24.saate kadar azalma gösterirken bu durum Türkmen genotipinde 24.saatten sonra artış yönünde değişmiştir. Sonuçta, Yr10 geninin anlatımının genotip ve patojen etkileşimi açısından zamana bağlı olarak dalgalanma gösterdiği ortaya konuldu. Anlatım profilini tümüyle değerlendirebilmek için patojen-bitki etkileşiminin daha uzun bir zaman diliminde ve daha fazla sayıda genotip ile ele alınması gerekliliği söz konusudur. Benzer bitki ıslahı çalışmalarında uygun genotiplerin seçilmesinde genetik çeşitlilik açısından mevcut bilgiler oldukça yol göstericidir. Bu nedenle, tez çalışması sonucunda Yr10 geni taşıdığı belirlenen Gerek79 ve Türkmen genotipleri ile genetik açıdan birbirine en uzak olan genotip çiftleri (Ceyhan-99 – Behoth 6, Gerek 79 – Douma 40989 ve Karahan-99 – Douma 48114) ıslah programlarında kullanılabilecek aday genotiplerdir.

Yellow rust the destructive fungal disease of wheat (Triticum aestivum L.), caused by Puccinia striiformis f. sp. tritici results in high yield losses especially in the areas of epidemics frequently occurred in wheat. In this study, genetic diversity and expression pattern of a yellow rust disease resistance gene (Yr10) in yellow rust resistant winter type bread wheat (Triticum aestivum L.) gene pool were investigated. PCA was conducted by 117 SSR markers scattered throughout A, B, and D genomes in 55 different bread wheat genotypes, showing different resistance to yellow rust, including 30 from Turkey and 25 from Middle East. The closest cultivars were Çetinel-2000 and Türkmen for Turkey and Behoth 8 and Douma 4 for Middle East when the both populations evaluated separately. The most distant three genotype pairs were determined as Ceyhan-99 – Behoth 6, Gerek 79 – Douma 40989 and Karahan-99 – Douma 48114 when Turkey and Middle East populations were evaluated together. Structure analysis showed that distribution of the populations from Turkey and Middle-East were largely separated into different groups as expected and there is evidence for a third group that includes both Turkish and Middle Eastern populations. Following, observation of Yr10 gene, related with yellow rust resistance, within this gene pool, real-time gene expression profile of Yr10 gene was performed in Türkmen, Gerek7' and Avocet Yr10 as a positive control at 7 different time points (0 hour - MOCK, 15 minutes, 12 hours, 24 hours, 48 hours, 72 hours, 96 hours) after inoculation. It was observed that the most down-regulated time point was 24 hpi for Yr10 gene expression in all genotypes. Expression of Yr10 gene was down regulated until 24 hpi in Gerek 79 while up regulation of Yr10 was observed after 24 hpi in Türkmen. In conclusion, expression of Yr10 gene was fluctuated depends on time for plant-pathogen interaction and genotype. The increased time points for expression profiling is required for more effective evaluation of stripe rust resistance response in wheat. However better conclusions to understand the response of plant to yellow rust attack can be acquired as more genes identified in wheat and presented in future. Available information about genetic diversity is crucial for selection of elite genotypes in plant breeding programs. In the shed light of our results, the most distant genotype pairs (Ceyhan-99 – Behoth 6, Gerek 79 – Douma 40989 and Karahan-99 – Douma 48114) and Gerek 79 and Türkmen genotypes, carrying Yr10 gene, are good candidates as parents in breeding programs for different traits.