Ontrafeling van de genetische controle van de plantarchitectuur bij appel

Appel (Malus x domestica) is een van de meest belangrijke fruitgewassen en fruittelers trachten de productie en vruchtkwaliteit te verbeteren terwijl ze tegelijkertijd de kosten trachten te minimaliseren. De opbrengst, homogeniteit van vruchtkwaliteit en de aanlooptijd nodig om tot een maximale productie te komen, worden in belangrijke mate beïnvloed door de boomarchitectuur. De boomvorm wordt momenteel gemanipuleerd via teeltechnieken maar deze technieken zijn tijdrovend, arbeidsintensief en duur.

Er bestaan een groot aantal groeitypen binnen de appelsoort, maar is er weinig gekend over de genetische controle van de boomvorm en het gepubliceerde onderzoek is gebeurd op materiaal met een beperkte genetische achtergrond. Om de kennis over de boomarchitectuur van appel te verbeteren heeft deze thesis de volgende doelstellingen: 1) Een beschrijving te maken van de boomvorm op basis van een collectie van 130 accessies aangevuld met 25 genotypes uit een F1 populatie en 2) genomische gebieden identificeren die belangrijk zijn voor de boomvorm en groei-eigenschappen met behulp van de IRSC 8K apple SNP array.

In de praktijk is de groei van sylleptische vertakking  gedurende het eerste groeijaar gewenst. In dit onderzoek vormden echter weinig cultivars deze gewenste vertakkingen tijdens het eerste jaar. Om deze vertakkingen te stimuleren werd de hoofdscheut teruggesnoeid. Het aantal sylleptische vertakkingen steeg significant in het volgende jaar maar niet alle cultivars reageerden op dezelfde wijze: voornamelijk cultivars die in het eerste jaar sterk groeiden vertoonden meer vertakkingen in het tweede jaar. Dus het terugsnoeien van de hoofdscheut is enkel voordelig voor bepaalde cultivars. Er werd geen correlatie waargenomen tussen vorming van sylleptische vertakkingen en de genetische populatiestructuur van de collectie.

Vroegere studies hebben de boomvormen in appel onderverdeeld op basis van de algemene boomvorm of de positie van vruchtvorming. Verschillende groei-eigenschappen, in ons onderzoek opgemeten bij één en twee jaar oude bomen waren inderdaad genetisch gecontroleerd. Bovendien werden er geen correlaties gevonden tussen de verschillende vertakkingstypen wat aanduidt dat ze onafhankelijk genetisch gecontroleerd zijn en dus onafhankelijk geselecteerd kunnen worden. Er werd geen éénduidige groepering van groeitypes waargenomen op basis van diverse cluster analyses. Dit duidt erop dat er eerder een ‘continuum’ aan boomvormen en groei-eigenschappen bestaat.

 De IRSC 8K apple SNP array werd gebruikt om de collectie genetisch te karakteriseren. Een genoom-wijde duplicatie in combinatie met een niet optimaal referentie genoom en de hoge graad van heterozygotie van appel hebben echter geleid tot niet-specifieke en niet-optimale binding van de DNA probes op de array en gaven problemen bij de automatische genotypering. Bovendien waren de door de producent aanbevolen parameters om onbetrouwbare resultaten te verwijderen niet afdoende. Daarom werden extra parameters bepaald om SNPs met betrouwbare resultaten te selecteren.

Er werden 2095 betrouwbare SNPs gebruikt om de collectie genetisch te karakteriseren. Er werden zowel triploïde als identieke accessies geïdentificeerd en die werden verwijderd voor verdere analyses. De meeste stamboom gegevens konden bevestigd worden en nieuwe mogelijke genetische relaties tussen de niet-commerciële accessies werden beschreven. Er werden twee subgroepen geïdentificeerd: een groep die voornamelijk bestond uit commerciële cultivars en een groep die voornamelijk bestond uit oudere, lokale variëteiten. Een afname van ‘linkage disequilibrium’ werd waargenomen binnnen 80-100 kb wat aantoont dat er meer SNPs nodig zijn om het volledige genoom te coveren voor associatie-studies

Een associatie-analyse identificeerde geassocieerde SNPs voor negen groeikenmerken terwijl geen associaties gevonden werden voor de andere zeventien kenmerken. Alhoewel geen functie gekend was voor ongeveer de helft van de genen in de buurt van deze SNPs, werden verschillende kandidaatgenen gevonden die, op basis van de literatuur, de geassocieerde kenmerken kunnen controleren. Voorbeelden zijn orthologen van MAX4, een gen dat betrokken is bij de biosynthese van het plant hormoon strigolactone dat vertakking negatief controleert en BRC1 dat verschillende signalen die de vertakking controleren, integreert.

De resultaten van dit onderzoek tonen aan dat er verschillen bestaan in groei en groeirespons op manipulaties bij appel en dat deze verschillen gedeeltelijk worden veroorzaakt door genetische verschillen. Dit geeft aan dat teeltpraktijken moeten aangepast worden aan de cultivar en dat de veredeling voor specifieke boomvormen mogelijk is bij appel. Er werden niet voor alle architectuurkenmerken genetische merkers geïdentificeerd en dus zijn er verdere studies nodig met een hogere densiteit aan SNPs om deze gebieden te identificeren of om aan te tonen dat er geen gebieden bestaan die een sterke invloed hebben op deze kenmerken. Indien dit laatste het geval is, kunnen genoom-wijde selectie en de bepaling van ‘breeding values’ een oplossing bieden voor de veredeling van boomarchitectuur bij appel.