Molecular genetic analyis in faba bean (Vicia faba L.)

Abstract

Faba bean (Vicia faba L.) is an important food legume crop with a huge genome. In this study, we used Next Generation Sequencing (NGS) technology for development of genomic simple sequence repeat (SSR) markers. A total of 14,027,500 sequence reads were obtained comprising 4,208 Mb. From these reads, 56,063 contigs were assembled (16,367 Mb) and 2138 SSRs were identified. Mono and dinucleotides were the most abundant, accounting for 57.5% and 20.9% of all SSR repeats, respectively. A total of 430 primer pairs were designed from contigs larger than 350 nucleotides and 50 primers pairs were tested for validation of SSR locus amplification. Nearly all (96%) of the markers were found to produce clear amplicons and to be reproducible. Thirty-nine SSR markers were then applied to 46 faba bean accessions from worldwide origins, resulting in 161 alleles with 87.5% polymorphism, and an average of 4.1 alleles per marker. Gene diversity (GD) of the markers ranged from 0.00 to 0.48 with an average of 0.27. Testing of the markers showed that they were useful in determining genetic relationships and population structure in faba bean accessions. In addition, 26 morphological and seven biochemical (phenolics content, flavonoids, protein, L-DOPA, tannins, vicine and convicine) characters of 61 landraces and 53 faba bean cultivars were analyzed. There was high diversity for the studied characters among the accessions. Association mapping for these morphological and biochemical characters with 59 SSR markers (442 fragments) was conducted using a general linear model based on the Q matrix. As a result, 48 significant loci were detected for 22 morphological characters, and 26 loci were detected for six biochemical traits. The range of LD (r2) was from 0.09 to 0.18, and from 0.06 to 0.13 for morphological and biochemical associations, respectively. This study can help breeding programs in selection and improvement of faba bean production.

Bakla (Vicia faba L.) çok büyük genomu ile önemli bir baklagil türüdür. Bu çalışmada, genomik basit dizi tekrarı (BDT) markörlerinin geliştirilmesi için İleri Jenerasyon Dizi Analizi Teknolojisi kullanılmıştır. 4.208 Mb’lık genomu kapsayacak şekilde toplam 14.027.500 dizi okunmuştur. Bu okumalardan, 56.063 kontig elde edilmiş olup (16.367 Mb), 2138 adet BDT belirlenmiştir. Tüm BDT’ları içerisinde %57.5 ve %20.9 ile mono- ve di- nükleotid tekrarları, beklenildiği gibi en çok elde edilen tekrar dizileri olmuştur. 350 nükleotidden büyük kontigler için toplam 430 primer çifti tasarlanmış olup, bu primerlerin 50 tanesi BDT lokuslarının çoğaltımının test edilmesinde kullanılmıştır. Bu markörlerin neredeyse hepsi (%96) temiz fragmentler çoğaltmıştır ve tekrar çoğaltabilme özelliğine sahiptir. 39 adet BDT markörü, dünya genelini kapsayan 46 bakla genotipine uygulanmış, sonuçta %87.5 polimorfizm ile 161 adet alel elde edilmiş olup, markör başına ortalama 4.1 alel elde edilmiştir. Markörlerin genetik çeşitlilik (GÇ) değerlerinin ortalaması 0.27 olup, 0.00 ile 0.48 arasında değişiklik göstermiştir. Markörlerin test edilmesi, bakla genotiplerinin genetik ilişkilerinin ve popülasyon yapısının belirlenmesi açısından yararlı olmuştur. Ek olarak, 26 morfolojik ve yedi adet biyokimyasal (fenolik içeriği, flavonoidler, protein, L-DOPA, tanninler, vicine ve convicine) karakter, 61 yerel tür ve 53 bakla çeşidinde analiz edilmiştir. Çalışılan karakterlerde çok yüksek çeşitlilik tespit edilmiştir. Bu morfolojik ve biyokimyasal karakterlerin, 59 BDT markörü ile ilişkilendirme haritası Q matrise bağlı genel doğrusal model kullanılarak oluşturulmuştur. Sonuç olarak, 22 morfolojik karakter için 48 önemli lokus tespit edilirken, 6 biyokimyasal özellik için ise 26 lokus ilişkili bulunmuştur. Bağlantı eşitsizliği (linkage disequilibrium – LD – r2) değerleri morfolojik özellikler için 0.09 ile 0.18 ve biyokimyasal ilişkiler için 0.06 ve 0.13 aralığında bulunmuştur. Bu çalışma, bakla çeşitlerinin ıslah programlarına ve bakla üretiminin arttırılmasında yardımcı olabilecektir.