Identification of essentially derived varieties in maize (Zea mays L.) using molecular markers, morphological traits, and heterosis

摘要

Das in der UPOV-Konvention festgelegte „Züchterprivileg“ sichert allen Züchtern die freie Verwendung von geschützten Sorten zur Schaffung neuer genetischer Variation und ist damit Garant für nachhaltigen Zuchtfortschritt. Da das Züchterprivileg jedoch auf verschiedene Weise unterlaufen werden kann, z. B. bei Re-Selektion innerhalb von geschützten Sorten, fortgesetzter Rückkreuzung zu geschützten Sorten, oder durch punktuelle gentechnische Veränderungen geschützter Sorten, wurde von der UPOV 1991 das Konzept der „abgeleiteten Sorten“ (essentially derived varieties, EDVs) eingeführt, um diesen Missbrauch zu verhindern. Eine Sorte ist demnach von einer Ausgangssorte abgeleitet, wenn (i) die Sorte sich zumindest in einem Registermerkmal von der Ausgangssorte unterscheidet, (ii) der Züchter die Sorte hauptsächlich aus der Ausgangssorte entwickelt hat und (iii) die Sorte weitestgehend genetisch identisch ist mit der Ausgangssorte. Hauptziel dieser Arbeit war es, bei Mais verschiedene Methoden zur Feststellung der genetischen Übereinstimmung zwischen Ausgangssorte und potentiellen EDVs zu untersuchen und miteinander zu vergleichen, um eine theoretische und experimentelle Basis zur Festlegung von Grenzwerten zur Unterscheidung von EDVs und unabhängigen Sorten zu erarbeiten. Im Vordergrund stand dabei die Evaluierung von genetischen Distanzen (GDs) basierend auf molekularen Markern, wie „simple sequence repeats“ (SSRs) und „amplified fragment length polymorphisms“ (AFLPs) sowie Faktoren, welche die GD zwischen Eltern und Nachkommen bestimmen. Ebenso wurde die Möglichkeit untersucht, morphologische Merkmale oder Heterosis zur Bestimmung von EDVs zu verwenden. Einzelziele der Arbeit waren: (1) die Bestimmung der Variation des Genombeitrags von Elternlinien zu ihren Nachkom¬menlinien; (2) die Unterscheidung von Maisinzuchtlinien aus F2-, BC1- und BC2-Nachkommenschaften anhand von SSR- und AFLP- basierten GDs sowie morphologi¬schen Merkmalen und Heterosis; (3) die Verifikation von theoretischen und simulierten Daten aus einer Begleitstudie und (4) die Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf verschiedene in der Literatur vorgeschlagene EDV-Grenzwerte.Insgesamt wurden 220 Flint-, Dent- und US-Maisinzuchtlinien mit 100 gleichmä-ßig über das Maisgenom verteilten SSRs genotypisiert. Darunter befanden sich 163 Triplets bestehend aus einer Nachkommenlinie und beiden Elternlinien, wobei erstere ent-weder aus einer F2-, BC1-, oder BC2- Population entwickelt wurde. Ein Teilsatz aus 58 Linien (38 Triplets) wurde zusätzlich mit 20 AFLP-Primerkombinationen genotypisiert. In einem dreiortigen Feldexperiment über zwei Jahre wurden darüber hinaus morphologische Merkmale und Heterosis für diese 38 Triplets erfasst.Sowohl bei simulierten als auch bei experimentellen Daten wurden Überlappungen zwischen den GD-Verteilungen von F2- und BC1- abgeleiteten Linien zu ihren Eltern gefunden. Unter der Annahme, dass die Ableitung einer Linie aus einer F2-Population ein ak-zeptiertes Verfahren wäre, die Ableitung aus einer BC1-Population jedoch nicht akzeptabel, wurde bei einem angenommenen Fehler 1. Art (α) von 0,05 je nach Genpool und ver-wendetem Markersystem ein Fehler 2. Art (β) von 0,23 bis 0,37 festgestellt. Für einen Grenzwert zwischen BC1 und BC2 liegt β zwischen 0,40 und 0,60 mit steigender Tendenz für höhere BC-Generationen. Für die in der Literatur vorgeschlagenen fixen Grenzwerte von T=0,25, 0,20, 0,15, und 0,10 wurden beträchtliche Differenzen für α und β zwischen verschiedenen Genpools gefunden, was die Anwendung genpoolspezifischer Grenzwerte nahe legt. Ebenso sollten spezifische Grenzwerte für potentielle EDVs aus intra-pool Kreuzungen gegenüber inter-pool Kreuzungen entwickelt werden.Die Trennung von F2-, BC1- und BC2-abgeleiteten Nachkommenlinien auf der Ba-sis von morphologischen Distanzen und Heterosis ergab für α=0,05 β-Werte zwischen 0,50 und 0,95 je nach Merkmal bzw. Merkmalskombination. Sie erwies sich somit als wenig geeignet zur Identifikation von EDVs, da die F2 -, BC1- und BC2-Verteilungen deutlich stärker überlappten als die mit Marker ermittelten GDs.Generell erwiesen sich SSRs und AFLPs als am besten geeignet, enge Verwandt-schaftsbeziehungen zwischen Maisinzuchtlinien aufzudecken und zwischen Linien zu un-terscheiden, die mittels akzeptierten bzw. nicht akzeptierten Zuchtverfahren erstellt wur-den. Die in dieser Studie vorgestellten Ergebnisse können somit als exemplarisch für die Identifikation von EDVs betrachtet werden und können durch Adjustierung der entsprechenden Schwellenwerte auf andere diploide Kulturarten übertragen werden.