ITEM METADATA RECORD
Title: Description of, and Possibilities to Increase Genetic Diversity in Modern Apple
Other Titles: Verandering van de genetische variabiliteit in Malus sylvestris subsp. Mitis
Authors: Vanwynsberghe, Lobke; S0040050
Issue Date: 18-Aug-2006
Abstract: Appel is tegenwoordig één van de meest belangrijke fruitsoorten ter wereld. De appelteelt dateert reeds van de Romeinen en de Grieken en ke nt dus een lange geschiedenis. Het begin van de appelveredeling gaat ech ter niet zo ver terug in de tijd. Thomas Andrew Knight (1759-1835) voerd e als eerste doelgericht kruisingen uit. Door allelen anders te combiner en of door nieuwe allelen of genen in te kruisen, trachtte hij nieuwe, v erbeterde rassen te ontwikkelen. Uiteraard is de beschikbaarheid van vol doende genetische diversiteit bepalend voor de vooruitgang in de veredel ing. Enkel wanneer voldoende diversiteit aanwezig is, kan er doelgericht veredeld worden. Opmerkelijk is dat net door de veredeling de genetisch e diversiteit in een aantal belangrijke gewassen sterk achteruit gegaan is. Doordat de veredelaar gedurende vele tientallen jaren alleen de mees t superieure planten selecteerde, raakten wilde soorten, landrassen en o ude rassen in onbruik. Een rijkdom aan genetische diversiteit ging verlo ren. In deze studie werd de genetische diversiteit van een collectie van mode rne appelcultivars en -rassen beschreven en vergeleken met de genetische diversiteit van twee collecties van oude appelvariëteiten. Door deze ve rgelijking te maken, werd nagegaan of de genetische basis van de genenpo ol die momenteel gebruikt wordt in veredelingsprogramma’s breed genoeg i s om ook in de toekomst vooruitgang in de veredeling van appel te kunnen verzekeren. Genetische diversiteit werd met behulp van microsatellieten merkers op DNA-niveau bestudeerd. Deze analyses hebben aangetoond dat de genetische diversiteit bij moderne appel te vergelijken is met de genet ische diversiteit bij oude appelvariëteiten. Toch zou de genetische same nstelling van appel ten gevolge van de veredeling enigszins gewijzigd zi jn, zij het slechts in beperkte mate. De SSR-analyses hebben niettemin d uidelijk aangetoond dat de genenpool die momenteel gebruikt wordt in ver edelingsprogramma’s rijk genoeg is om de verbetering van appel ook in de toekomst te garanderen. Meer nog, op basis van deze studie worden in de toekomst niet direct inteelt-gerelateerde problemen verwacht. Wanneer de genetische basis van een bepaald gewas te eng dreigt te worde n, kan de veredelaar verdere genetische verarming tegengaan door nieuw g enetisch materiaal in te kruisen. Verwante wilde soorten, landrassen, of oude variëteiten kunnen een interessante bron van nieuw genetisch mater iaal zijn. Door de twee appelcultivars, ‘Delbardestivale’ en ‘Braeburn’ te kruisen met verwante Malus- en andere Maloideae -soorten werd nagegaan in hoeverre de genetische basis van appel, indien nodig, verbreed zou kunnen worden via interspecifieke en -generische kr uisingen. Pollenadhesie, pollenkieming en pollenbuisgroei werden met beh ulp van fluorescentiemicroscopie bestudeerd om mogelijke pre-zygotische hybridisatiebarrières op te sporen. Vruchtzet, zaadzet en zaadkieming we rden opgevolgd om mogelijke post-zygotische barrières te identificeren. De analyses toonden aan dat Malus × domestica makkelijk kruis baar is met andere Malus-soorten. De intergenerische kruising en waren echter minder succesvol. Vertraagde pollenbuisgroei was de voor naamste oorzaak voor het falen van deze kruisingen. In de kruisingen met Chaenomeles, Cydonia en Mespilus stopt en de pollenbuizen op ongeveer 1/3 van de stijl met groeien, in de kruis ingen met Pyrus op ongeveer 2/3 van de stijl. Bijgevolg was zaadzet in d e intergenerische kruisingen heel laag. De hybride oorsprong van een zaailing, bekomen via interspecifieke en -g enerische bestuivingen, kan nagegaan worden met behulp van DNA-merkers d ie in beide kruisingsouders amplificeren en polymorf zijn. Daarom werden microsatellietenmerkers die aanvankelijk voor appel ontwikkeld werden, getest in verwante Malus- en Maloideae-soorten. De overdraagbaarheid naar andere Malus-soorten was hoog, nameli jk 94%. De overdraagbaarheid naar andere Maloideae-soorten va rieerde tussen 58% en 81%. Zes overdraagbare microsatellietenmerkers wer den vervolgens gebruikt om de hybride oorsprong van de zaailingen bekome n via interspecifieke en -generische bestuiving na te gaan. De microsate llietenresultaten bevestigden in het algemeen de hybride oorsprong van d e zaailingen bekomen via interspecifieke bestuiving. Geen enkele zaailin g bekomen via intergenerische bestuiving bleek daarentegen hybrid te zij n. Deze zaailingen waren het resultaat van ongecontroleerde bestuiving e n bevruchting.
Table of Contents: Dankwoord
Contents i
Samenvatting v
Abstract vii
List of abbreviations ix

INTRODUCTION AND AIM OF THE STUDY 1

PART 1 7
Chapter I: Description of genetic diversity in germplasm collections 9
Introduction 11
1. Studying genetic diversity without DNA markers 11
2. DNA Marker Systems 12
2.1. Microsatellite markers 13
2.2. RFLP markers 14
2.3. RAPD markers 14
2.4. AFLP markers 15
2.5. Microsatellite: marker of choice for genetic diversity studies? 15
3. Genetic diversity parameters based on molecular marker data 17
3.1. General genetic diversity measures 17
3.2. Dominant markers and genetic distance between genotypes 18
3.3. Codominant markers and genetic distance between genotypes 19
4. Ordination methods 21
5. Clustering algorithms 22
5.1. Hierarchical distance-based clustering methods 22
5.2. Model-based clustering methods 23
6. Validation of ordination and clustering methods 24
6.1. Validation of a single cluster 24
6.2. Validation of cluster and ordination solutions 25
6.2.1. Correspondence to prior information 25
6.2.2. Cophenetic correlation coefficient 25
6.2.3. Mahalanobis distance 25
6.3. Optimal number of clusters 26
7. Genetic distance between clusters 26
7.1. General genetic distance measures 26
7.2. Microsatellite specific genetic distance measures 27
Chapter II: Description of genetic diversity in modern apple 29
Introduction 31
1. Materials and methods 32
1.1. Plant material 32
1.2. DNA extraction and concentration determination 37
1.3. Microsatellite analysis 37
1.4. Data analysis 39
2. Results 40
2.1. Coefficient of parentage of modern apple cultivars and breeding lines 40
2.2. General description of genetic diversity in modern cultivars and breeding lines, and old apple varieties 40
2.2.1. Number of alleles 40
2.2.2. Allele frequencies 42
2.2.3. Heterozygosity and Wright’s inbreeding coefficient 48
2.3. Genetic structure of the apple collections 49
2.3.1. Neighbour Joining clustering 49
2.3.1.1. Modern cultivars 49
2.3.1.2. Flemish old apple varieties 52
2.3.1.3. Walloon old apple varieties 52
2.3.1.4. Complete apple collection .52
2.3.2. Principal coordinates analysis 58
2.3.3. Model-based clustering 58
3. Discussion 59

PART 2 63
Chapter III: Cross-species and cross-genera transferability of apple microsatellites in the Maloideae subfamily 65
Introduction 67
1. Materials and methods 68
1.1. Plant material and DNA extraction 68
1.2. Microsatellite analysis 74
1.3. Data analysis 76
2. Results 76
2.1. DNA extraction 76
2.2. Cross-species and cross-genera transferability 76
3. Discussion 85
Chapter IV: Interspecific and intergeneric hybridisation barriers 89
Introduction 91
1. Fertilisation in flowering plants 92
1.1. Adhesion 92
1.2. Hydration 93
1.3. Pollen germination, pollen tube growth and pollen tube orientation 93
2. Pre-zygotic hybridisation barriers 95
2.1. Self-incompatibility mechanisms 95
2.2. Pre-zygotic interspecific and intergeneric incompatibility and incongruity 97
3. Post-zygotic hybridisation barriers 100
Chapter V: Interspecific and intergeneric hybridisation barriers in M. × domestica 103
Introduction 105
1. Materials and methods 106
1.1. Plant material 106
1.2. Pollinations 107
1.3. Pollen germination and pollen tube growth 108
1.4. Fruit set, seed set and seed germination 109
1.5. DNA fingerprinting to verify hybridity 109
1.6. Data analysis 110
2. Results 111
2.1. Interspecific and intergeneric crosses in 2003 111
2.1.1. Number of pollen grains on stigma 111
2.1.2. Pollen germination 113
2.1.3. Pollen tube growth 116
2.1.4. Fruit set 121
2.1.5. Seed set and seed germination 123
2.1.6. DNA fingerprints of hybrid seedlings 124
2.1.7. Conclusions on interspecific and intergeneric crosses in 2003 125
2.2. Intergeneric crosses in 2004 127
2.2.1. Number of pollen grains on stigma 127
2.2.2. Pollen germination 128
2.2.3. Pollen tube growth 131
2.2.4. Fruit set 136
2.2.5. Seed set and seed germination 137
2.2.6. DNA fingerprints of hybrid seedlings 137
2.2.7. Conclusions on intergeneric crosses in 2004 140
2.3. Intergeneric crosses with ‘Delbard Estivale’ in 2005 142
2.3.1. Number of pollen grains on stigma 142
2.3.2. Pollen germination 142
2.3.3. Pollen tube growth 143
2.3.4. Fruit and seed set 145
3. Discussion 145

GENERAL CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 149

References 159
List of publications 171
APPENDIX A 173
APPENDIX B 181
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Division of Crop Biotechnics

Files in This Item:
File Description Status SizeFormat
Thesistekst.pdf Published 6018KbAdobe PDFView/Open

 


All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.