Identification of the VERNALIZATION 4 gene reveals the origin of spring growth habit in ancient wheats from South Asia

Abstract

Wheat varieties with a winter growth habit require long exposures to low temperatures (vernalization) to accelerate flowering. Natural variation in four vernalization genes regulating this requirement has favored wheat adaptation to different environments. The first three genes (VRN1-VRN3) have been cloned and characterized before. Here we show that the fourth gene, VRN-D4, originated by the insertion of a ∼290-kb region from chromosome arm 5AL into the proximal region of chromosome arm 5DS. The inserted 5AL region includes a copy of VRN-A1 that carries distinctive mutations in its coding and regulatory regions. Three lines of evidence confirmed that this gene is VRN-D4: it cosegregated with VRN-D4 in a high-density mapping population; it was expressed earlier than other VRN1 genes in the absence of vernalization; and induced mutations in this gene resulted in delayed flowering. VRN-D4 was found in most accessions of the ancient subspecies Triticum aestivum ssp. sphaerococcum from South Asia. This subspecies showed a significant reduction of genetic diversity and increased genetic differentiation in the centromeric region of chromosome 5D, suggesting that VRN-D4 likely contributed to local adaptation and was favored by positive selection. Three adjacent SNPs in a regulatory region of the VRN-D4 first intron disrupt the binding of GLYCINE-RICH RNA-BINDING PROTEIN 2 (TaGRP2), a known repressor of VRN1 expression. The same SNPs were identified in VRN-A1 alleles previously associated with reduced vernalization requirement. These alleles can be used to modulate vernalization requirements and to develop wheat varieties better adapted to different or changing environments.wheat | flowering | vernalization | VRN1 | Triticum aestivum ssp. sphaerococcum

Evidence for an Early Origin of Vernalization Responsiveness in Temperate Pooideae Grasses

“…It was previously demonstrated in wheat and barley that loss of VRN1 function occurs readily via mutations in cis-regulatory sequences within the promoter and first intron (Yan et al, 2003(Yan et al, , 2004bvon Zitzewitz et al, 2005;Cockram et al, 2007;Pidal et al, 2009;Kippes et al, 2015). Furthermore, loss of the VRN3 repressor VRN2 and mutations in cis-regulatory regions of the VRN3 promoter and first intron have been implicated in transitions from winter to spring flowering phenotypes (Yan et al, 2004bTrevaskis et al, 2007;Kippes et al, 2016).…”

“…Allelic variation in VRN1, VRN2, and VRN3 has been shown to correlate with population differences in coldmediated flowering in barley, wheat, ryegrass, and B. distachyon (Danyluk et al, 2003;Yan et al, 2003Yan et al, , 2004aYan et al, , 2004bYan et al, , 2006Fu et al, 2005;von Zitzewitz et al, 2005;Szűcs et al, 2007;Kippes et al, 2015). For example, disruption of the regulatory site in the first intron or CArG-like motif of the wheat and barley VRN1 promoter results in constitutive expression of VRN1, leading to early flowering in the absence of cold (Yan et al, 2003(Yan et al, , 2004bvon Zitzewitz et al, 2005;Cockram et al, 2007;Pidal et al, 2009).…”

Analysis of the VERNALIZATION-A1 exon-4 polymorphism in polyploid wheat

“…Идентификацию гена VRN-D4 осуществляли в ходе ал-лель-специфической ПЦР (АС-ПЦР) с прямым праймером Ex4F2m3 (используемым также в определении гаплотипа экзона-4) и аллель-специфическим обратным прайме-ром V4/R2m3, разработанным к ОНП (C/A) в четвертом экзоне, по которому, согласно литературным данным, ген VRN-D4 отличается от гена VRN-A1 (Kippes et al, 2015). Целевой ПЦР-фрагмент 264 п. н., детектирующий VRN-D4, выявлен только у образцов вида T. sphaerococcum (за исключением образца CItr 17737).…”

“…Салина Н еобходимость воздействия условий низких тем-ператур и укороченного фотопериода для иници-ации перехода растения к репродуктивной стадии развития обусловливает его потребность в яровизации. У пшеницы потребность в яровизации детерминирована аллельным состоянием генов системы VRN: VRN1 (транс-крипционный фактор семейства MADS-box); VRN2 (zincfinger CCT домен содержащий ген -ZCCT); VRN3 (гомолог гена FLOWERING LOCUS T); VRN4 (дупликация гена VRN-A1 в коротком плече хромосомы 5D) (Yan et al, 2003(Yan et al, , 2004b(Yan et al, , 2006Kippes et al, 2015). Исследование генов VRN имеет ключевое значение в селекции пшеницы, посколь-ку их экспрессия влияет на ряд агрономически ценных признаков, определяющих адаптивность и урожайность культуры в условиях окружающей среды конкретного географического региона.…”

“…В большинстве случаев анализ выполнялся без учета копийности гена VRN-A1, что особенно важно для гексаплоидной пшеницы, в которой, к примеру, у T. aestivum, более 90 % сортов несут две-три копии этого гена (Würschum et al, 2015) с различными комбинациями гаплотипов экзона-4 (Díaz et al, 2012). Кроме того, недавнее позиционное клонирование гена VRN-D4 выявило, что только четыре однонуклеотидных полиморфизма (ОНП) отличают его от VRN-A1 (Kippes et al, 2015). Следовательно, результаты предыдущих ис-следований должны быть пересмотрены также с учетом и этого обстоятельства, поскольку при использовании суще-ствующих методов анализа не представляется возможным различить экзоны-4 генов VRN-A1 и VRN-D4.…”