Molecular genetic analysis in opium poppy

Abstract

As the sole plant source of many potent alkaloids, opium poppy (Papaver somniferum L.) is an important medicinal crop. Nevertheless, few studies have characterized opium poppy germplasm with crop-specific molecular markers. In this study, recently developed SSR markers were validated for diversity analysis and tested in an opium poppy world collection. The limited diversity of the world collection suggested that other genetic resources such as those from Turkey, a diversity center for the crop, should be explored. Thus, molecular and morphological characterization of Turkish opium poppy germplasm were performed. As a result, Turkish germplasm (11%) was found to have higher diversity than the world collection (5%). Also potentially useful morphological variation was observed for morphine content, plant height, and capsule index. However, the landraces exhibited limited breeding potential for stigma number, and seed and straw yields. Two core sets containing 22 and 21 accessions were selected from the world and Turkish germplasm, respectively, for effective management of collections in seed banks and breeding programs. The primary findings showed that Turkish germplasm is a valuable genetic resource to identify QTLs controlling morphine content and agronomic traits using an association mapping approach. Thus, a total of 164 SSR and 367 AFLP polymorphic loci were applied to an opium poppy association mapping panel composed of 95 opium poppy landraces which were grown for two seasons. One SSR and three AFLP loci were found to be significantly associated with morphine content (P < 0.01 and LD value (r2) = 0.10-0.32) and six SSR and 14 AFLP loci were significantly associated with five agronomic traits (plant height, stigma number, capsule index, seed and straw yield) (P < 0.01 and LD value (r2) = 0.08-0.35). This is the first report of association mapping in this crop. The identified markers provide initial information for marker-assisted selection of important traits in opium poppy.

Birçok alkaloidin yegane kaynağı konumunda olan haşhaş önemli bir tıbbi bitki olmasına rağmen, haşhaş gen kaynaklarının moleküler markörlerle karakterize edildiği sınırlı sayıda araştırma mevcuttur. Bu çalışmada, yeni geliştirilen SSR markörlerinin genetik çeşitlilik analizleri bakımından validasyonu yapılmış ve bu markörler haşhaş dünya koleksiyonunda testlenerek düşük genetik çeşitlilik belirlenmiştir. Bu sonuçlar Türkiye gibi haşhaşın çeşitlilik merkezlerinin önemini ortaya koymuş ve Türk haşhaş çeşitleri morfolojik ve moleküler olarak karakterize edilmiştir. Sonuç olarak Türk haşhaş populasyonunun (%11) dünya koleksiyonundan (%5) daha fazla çeşitliliğe sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca Türk populasyonunun stigma sayısı, tohum ve kapsül verimi bakımından düşük çeşitliliğe sahip olmasına rağmen, morfin içeriği, bitki boyu ve kapsül indeksi bakımından yüksek çeşitliliğe sahip olduğu belirlenmiştir. Haşhaş gen kaynaklarının tohum bankalarında ve ıslah programlarında etkin bir şekilde yönetilebilmesi için, dünya ve Türk haşhaş populasyonlarından sırasıyla 22 ve 21 adet haşhaş genotipinden oluşan iki adet çekirdek koleksiyon oluşturulmuştur. Bu bulgular Türk haşhaş populasyonunun, morfin içeriğini ve agronomik karakterleri kontol eden QTL’lerin ilişkilendirme haritalaması yaklaşımıyla belirlenebilmesi için değerli bir gen kaynağı olduğunu ortaya koymuştur. Bundan dolayı polimorfik bulunan 164 SSR ve 367 AFLP markörü iki yılda yetiştirilen ve 95 haşhaş genotipinden oluşan ilişkilendirme panelinde testlenmiştir. Sonuç olarak, bir SSR ve üç AFLP markörünün morfin içeriğiyle (P < 0.01 ve LD değeri (r2) = 0.10-0.32), altı SSR ve 14 AFLP markörünün de beş adet agronomik karakterle (bitki boyu, stigma sayısı, kapsül indeksi, tohum ve kapsül verimi) (P < 0.01 ve LD değeri (r2) = 0.08-0.35) ilişkili olduğu belirlenmiştir. İlişkilendirme haritalaması yaklaşımı bu çalışmada ilk defa haşhaşta uygulanmıştır. Belirlenen markörler, haşhaşta önemli karakterlerin markör destekli seleksiyon uygulamaları için ilk bilgileri sağlamaktadır.