Phenotypic and genetic diversity in wild and domesticated timothy and related Phleum species: implications for breeding

Timotej (Phleum pratense L.) är ett flerårigt gräs som odlas för foderproduktion och bete i tempererade områden. Högre temperaturer och längre växtsäsonger till följd av klimatförändringarna kräver nya anpassade timotejsorter. För att bredda genpoolen för växtförädling var det övergripande syftet med denna avhandling att förstå den fenotypiska och genetiska diversiteten hos den hexaploida timotejen och de besläktade arterna P. nodosum som är diploid och P. alpinum som är tetraploid. Totalt 246 vilda och domesticerade accessioner av olika geografiskt ursprung utvärderades i fält och växthus. Stor diversitet bland arter och grupper av accessioner upptäcktes för biomassa-produktion, utveckling och bildandet vegetativa skott, icke-blommande långsträckta strån och reproduktiva strån. Gruppen av vilda accessioner och gruppen av sorter hos timotej visade ingen signifikant skillnad i biomassa. Timotej-sorterna hade dock längre stadier för uppkomst och tidig tillväxt än de vilda accessionerna men nådde stråskjutning och blomning tidigare. Detta visar att en snabbare utveckling och tillväxt har gynnats hos de växtförädlade sorterna. Timotej-sorterna bildade även en högre andel reproduktiva strån än de vilda accessionerna. De vilda accessionerna hade en större andel vegetativa skott som ökade med breddgraden för deras ursprungliga växtplats. Sorter av P. nodosum bildade det högsta antalet av icke-blommande långsträckta strån jämfört med alla accessionsgrupper och arter medan denna typ av strån saknades hos P. alpinum. Trettiotre av accessionerna utvärderades med avseende på genetisk diversitet, populations-differentiering och selektions-signatur med hjälp av hel-genom-resekvensering. De genomiska analyserna avslöjade ett betydligt högre antal nukleotidpolymorfismer (SNP) hos timotej och P. nodosum jämfört med hos P. alpinum. Ett mer omfattande mönster av kopplings-ojämnvikt mellan gener, en lägre grad av observerad heterozygoti och en högre grad av inavel hittades också i P. alpinum, vilket tyder på partiell eller fullständig självpollinering hos denna art. Hos timotej och P. nodosum observerades låg genomisk relativ divergens (FST) när vilda accessioner och sorter jämfördes, vilket tyder på att domesticeringen har lett till en låg genetisk divergens från de vilda populationerna. Det genomiska mönstret för FST och haplotyp-genomscannings-tester visade dock att vissa genomiska regioner var mycket differentierade, vilket tyder på att dessa regioner har påverkats av positiv selektion. Dessa genomiska regioner är involverade i viktiga biologiska processer, vilket exemplifieras av de kodande generna g22404, g39371 och g35607. Dessa gener har nyckelroller i biosyntesen av strukturella polymerer som lignin och dess intermediärer, vilket påverkar näringsvärdet och smältbarheten hos foder. Kunskapen om den fenotypiska diversiteten och de identifierade genomiska resurserna kan integreras i framtida växtförädling.