Molecular Marker Systems in Plant Breeding and Crop Improvement

Section I Basics I.1 The Principle: Identification and Application of Molecular Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 P. Langridge and K. Chalmers 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 Molecular Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 Identifying Marker/Trait Associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 Application of Molecular Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 6 Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 I.2 Genotyping Tools in Plant Breeding: From Restriction Fragment Length Polymorphisms to Single Nucleotide Polymorphisms . . . . 23 V. Mohler and G. Schwarz 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2 Restriction Fragment Length Polymorphisms . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3 Microsatellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Random Amplified Polymorphic DNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5 Amplified Fragment Length Polymorphisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6 Single Nucleotide Polymorphisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 I.3 A Model Crop Species: Molecular Markers in Rice . . . . . . . . . . . . . 39 D.J. Mackill and K.L. McNally 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2 Gene Mapping with Molecular Markers in Rice . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Positional Cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4 Array-Based Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5 Candidate Genes as Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 X Contents I.4 From Markers to Cloned Genes: Map-Based Cloning . . . . . . . . . . . 55 W.-R. Scheible, O. Törjek, and T. Altmann 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2 Outline of the General Map-Based Cloning Strategy . . . . . . . . . . . . 56 3 Map-Based Cloning in a Model Species with a Fully Sequenced Genome (Arabidopsis thaliana) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4 Map-Based Cloning in Crop Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Section II Specific Crops II.1 DNA Markers in Brassica: Use of Genetic Information from Arabidopsis and Development of Sequence Tagged Site Markers . . 89 T. Sakai, H. Fujimoto, R. Imai, and J. Imamura 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2 Characterization of DNA Markers in Brassica . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3 ApplicationofArabidopsis Genome Information to Brassica DNA Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4 Developing Random Amplified Polymorphic DNA Sequence Tagged Site Markers Linked to the Radish-Derived Fertility Restoration (Rf) Locus in B. napus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 II.2 Genomics as Efficient Tools: Example Sunflower Breeding . . . . . . . 107 A. Sarrafi and L. Gentzbittel 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2 Linkage Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3 Quantitative Trait Loci Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4 Sunflower Genomics: Towards Genes and Functions . . . . . . . . . . . . 114 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 II.3 Genome Analysis: Mapping in Sugar Beet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 C. Jung 1 Introduction: The Species of the Genus Beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 2 Resources and Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3 Repetitive DNA Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4 Genetic Relationships Between Species of the Genus Beta . . . . . . . 128 5 Genetic Mapping of Mendelian Traits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6 Mapping of Quantitative Trait Loci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Contents XI II.4 Molecular Markers in Genetics and Breeding: Improvement of Alfalfa (Medicago sativa L.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 I.J. Maureira and T.C. Osborn 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 2 Characterization of Alfalfa Germplasms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3 Development of Genetic Maps and Identification of Regions Affecting Traits of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4 Additional Uses of Molecular Markers in Alfalfa Breeding . . . . . . . 148 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 II.5 Localization of Important Traits: The Example Pea (Pisum sativum L.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 W.K. Swiecicki and G. Timmerman-Vaughan 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 2 ThePisum Genetic Map and Loci for Agronomic Characters . . . . 156 3 Resistance to Powdery Mildew (Erysiphe pisi Syd.) . . . . . . . . . . . . . 158 4 Resistance to Fusarium Wilt (Fusarium oxysporum f. sp. pisi (van Hall) Snyd & Hans) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5 Plant Virus Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6 Flowering Genetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7 Quantitative Trait Loci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 II.6 Molecular Markers in Vigna Improvement: Understanding and Using Gene Pools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 A. Kaga, D.A. Vaughan, and N. Tomooka 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 2 Application of Molecular Markers to Understand the Vigna Crop Gene Pools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 3 Linkage Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4 Synteny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 5 Gene Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6 Transformation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 II.7 Molecular Markers for Genetics and Breeding: Development and Use in Pepper (Capsicum spp.) . . . . . . . . . . . . . . 189 V. Lefebvre 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 2 Molecular Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 3 Genetic Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 4 Variety Identification and Hybrid Purity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 XII Contents 5 Genetic Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 6 Maps Position and Markers of Loci Governing Traits of Interest . . 198 7 Genomic Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8 Marker-Assisted Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 II.8 Potato Genetics: Molecular Maps and More . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 C. Gebhardt 1 Introduction: The Potato as an Object of Genetic Analysis . . . . . . 215 2 Reference Molecular Maps of Potato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 3 Synteny of Potato With Other Plant Genomes . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 4 Potato Function Map for Pathogen Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 5 Potato Function Map for Tuber Traits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 6 Potato Function Maps as Basis for Innovative Approaches to Breeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 II.9 Molecular Marker Maps of Barley: A Resource for Intra- and Interspecific Genomics . . . . . . . . . . . . . . 229 R.K. Varshney, M. Prasad, and A. Graner 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 2 Molecular Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 3 Construction of Molecular Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 4 Comparative Mapping and Synteny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 II.10 Genomics in Rice: Markers as a Tool for Breeding . . . . . . . . . . . . . 245 Y. Kishima, K. Onishi, and Y. Sano 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 2 Conventional Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 3 The Beginnings of Molecular Marker Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 4 Molecular Markers Currently Used in Rice Breeding . . . . . . . . . . . . 247 5 Amplified Fragment Length Polymorphism Analysis in Rice . . . . . 248 6 MITE-Transposon Display in Rice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 7 Transposable Elements as Markers for Major Genes . . . . . . . . . . . . 250 8 Conclusions: Quantitative Trait Loci and Future Prospects . . . . . . 251 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 II.11 Wheat Microsatellites: Potential and Implications . . . . . . . . . . . . . . 255 M.S. Röder, X.-Q. Huang, and M.W. Ganal 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 2 Development of Microsatellite Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Contents XIII 3 The Bridge to Practical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 4 Diagnostic Markers for Traits of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 5 Analysis of Genetic Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 II.12 Comparative Genetic Mapping in Trees: The Group of Conifers . . 267 D.B. Neale and K.V. Krutovsky 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 2 Conifer Genomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 3 Loblolly Pine Reference Genetic Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 4 Genetic Markers for Comparative Mapping in Conifers . . . . . . . . . 269 5 ComparativeMappinginPinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 6 Comparative Mapping in Pinaceae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 7 Conclusions: Needs of Linking the Genetic Map to Chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 II.13 Markers in Fruit Tree Breeding: Improvement of Peach . . . . . . . . . 279 E. Dirlewanger and P. Ar´us 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 2 Use of Molecular Markers for Fruit Quality Improvement . . . . . . . 285 3 Use of Molecular Markers for Disease Resistance . . . . . . . . . . . . . . 289 4 Marker-Assisted Selection for Tree Architecture Characters . . . . . . 291 5 SyntenyAmongPrunus Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 6 Development of Peach Molecular Markers, Their Use for Fingerprinting and for the Evaluation of Genetic Resources . . . . . 296 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Section III Breeding Strategies and Silviculture Based on Markers III.1 General Considerations: Marker-Assisted Selection . . . . . . . . . . . . . 305 V. Mohler and C. Singrün 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 2 Requirements of Markers for Marker-Assisted Selection . . . . . . . . 305 3 Present Status of Validated Molecular Markers for Molecular Breeding of Important Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 4 Marker-Assisted Selection for Quantitative Trait Loci . . . . . . . . . . . 307 5 Marker-Assisted Selection in Gene Pyramiding . . . . . . . . . . . . . . . . 310 6 Marker-Assisted Selection in Backcross Breeding . . . . . . . . . . . . . . 311 7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 XIV Contents III.2 Breeding Strategies: Optimum Design of Marker-Assisted Backcross Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 M. Frisch 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 2 Introgression of One Dominant Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 3 Introgression of a Recessive Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 4 Introgression of Two Dominant Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 5 Length of the Intact Donor Chromosome Segment Around the Target Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 III.3 From Theory to Practice: Marker-Assisted Selection in Maize . . . . 335 D.A. Hoisington and A.E. Melchinger 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 2 Practical Examples of Marker-Assisted Selection . . . . . . . . . . . . . . . 342 3 Economics of Marker-Assisted Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 4 New Marker-Assisted Selection Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 III.4 Molecular Markers for Disease Resistance: The Example Wheat . . 353 C. Feuillet and B. Keller 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 2 Development of Molecular Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 3 Use of Molecular Markers in Marker-Assisted Selection for Disease Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 III.5 Application of DNA Markers: Soybean Improvement . . . . . . . . . . . 371 M.J. Iqbal and D.A. Lightfoot 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 2 Choice of Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 3 Identification of Polymorphism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 4 Marker-Assisted Recovery of Recurrent Parent Genome . . . . . . . . . 378 5 Marker-Assisted Selection in Recurrent Cross Populations . . . . . . 379 6 Marker-Assisted Selection for Targeted Genes/Traits . . . . . . . . . . . . 379 7 Methods for Marker-Assisted Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383