Marker-trait association analysis of functional gene markers for provitamin A levels across diverse tropical yellow maize inbred lines

Abstract

BackgroundBiofortification of staple crops is a cost effective and sustainable approach that can help combat vitamin A and other micronutrient deficiencies in developing countries. PCR -based DNA markers distinguishing alleles of three key genes of maize endosperm carotenoid biosynthesis (PSY1, lcyE and crtRB1) have been developed to facilitate maize provitamin A biofortification via marker assisted selection. Previous studies of these functional DNA markers revealed inconsistent effects. The germplasm previously employed for discovering and validating these functional markers was mainly of temperate origin containing low frequencies of the favourable allele of the most significant polymorphism, crtRB1-5′TE. Here, we investigate the vitamin A biofortification potential of these DNA markers in a germplasm panel of diverse tropical yellow maize inbred lines, with mixed genetic backgrounds of temperate and tropical germplasm to identify the most effective diagnostic markers for vitamin A biofortification.ResultsThe functional DNA markers crtRB1-5′TE and crtRB1-3′TE were consistently and strongly associated with provitamin A content across the tropical maize inbred lines tested. The alleles detected by these two functional markers were in high linkage disequilibrium (R2 = 0.75) and occurred in relatively high frequency (18%). Genotypes combining the favourable alleles at the two loci (N = 20) displayed a 3.22 fold average increase in β-carotene content compared to those genotypes lacking the favourable alleles (N = 106). The PSY1 markers were monomorphic across all of the inbred lines. The functional DNA markers for lcyE were associated with lutein, and with the ratio of carotenoids in the alpha and beta branches, but not with provitamin A levels. However, the combined effects of the two genes were stronger than their individual effects on all carotenoids.ConclusionsTropical maize inbred lines harbouring the favourable alleles of the crtRB1-5′TE and 3′TE functional markers produce higher levels of provitamin A. Such maize lines can be used as donor parents to speed up the development of provitamin A biofortified tropical maize varieties adapted to growing conditions and consumer preferences, providing a route towards mitigation of vitamin A malnutrition in Sub-Saharan Africa.

Accruing genetic gain in pro-vitamin A enrichment from harnessing diverse maize germplasm

“…The best four lines among these had provitamin A concentrations that meet the breeding target level of 15 lg g -1 . Several backcrossderived lines carried combinations of favorable alleles of two genes, including lycopene epsilon cyclase (LCYE) and b-carotene hydroxylase 1 (CRTRB1) encoding key enzymes in the carotenoid biosynthetic pathway (Azmach et al 2013). The best backcrossderived lines have then been regularly crossed in pairs or with elite tropical yellow and orange endosperm maize inbred lines to generate bi-parental crosses for developing inbred lines with superior agronomic performance and much higher levels of pro-vitamin A.…”

Assotiation of total carotenoid level in maize grain (Zea mays L.) with polimorphic site InDel1 in PSY1 gene

“…При отборе генотипов с благопри-ятными аллелями полиморфных сайтов гена LcyE про-исходит перераспределение ликопина в сторону синтеза семейства β-каротиноидов, а отбор благоприятных алле-лей полиморфизмов гена СrtRB1 снижает степень кон-версии β-каротиноидов в другие метаболиты, тем самым увеличивая концентрацию β-каротина и про-А в зерне кукурузы [3,4]. Необходимо подчеркнуть важную роль гена PSY1 не только в увеличении общего содержания каротиноидов, но и в накоплении β-каротина и провита-мина А. Например, некоторые образцы кукурузы, несмо-тря на наличие благоприятных аллелей полиморфных сайтов СrtRB1, характеризуются низким содержанием β-каротина и про-А.…”

“…Необходимо подчеркнуть важную роль гена PSY1 не только в увеличении общего содержания каротиноидов, но и в накоплении β-каротина и провита-мина А. Например, некоторые образцы кукурузы, несмо-тря на наличие благоприятных аллелей полиморфных сайтов СrtRB1, характеризуются низким содержанием β-каротина и про-А. Кроме того, для данных генотипов отмечается низкое содержание общих каротиноидов [3]. Данный факт позволяет предположить, что для реали-зации потенциала благоприятных аллелей гена СrtRB1 необходимым условием является высокий уровень со-держания общих каротиноидов.…”

“…Кукуруза -единственная из основных зерновых культур, способная накапливать зна-чительное количество каротиноидов, которые, являясь предшественниками провитамина А (про-А) и антиоксидантами, обеспечивают защиту от рака и ряда хронических заболеваний [5]. Про-А включает в себя β-и α-каротин, β-криптоксантин, которые в результате окислительного расщепления могут быть преобразованы в витамин А. Тем не менее содержание про-А обычно составляет только 10-20 % от общего объема каротиноидов зерна кукуру-зы, в то время как содержание лютеина и зеаксантина достигает 45 и 35 % соответственно [3]. Концентрацию данного провитамина можно повысить се-лекционным путем, используя природную генетическую изменчивость уровня каротиноидов в зерне кукурузы.…”

Breeding Open-Pollinated, Hybrid and Transgenic Outcrossing Species

“…Carotenoid levels are undetectable in white maize endosperm, but significant carotenoid accumulation in white kernels was noted by overexpression of PSY1, which was strongly selected during maize domestication and improvement from white to yellow kernels (Palaisa et al 2004). Marker-aided breeding can speed the introgression of the rare favorable crtRB1 alleles, which seem to be unique to temperate germplasm, and PSY1 to tropical maize (Azmach et al 2013). Indeed, crtRB1 was introgressed in elite inbred parents, which were low β-carotene using a crtRB1-specific DNA marker for foreground selection in accelerated marker-assisted backcross breeding (Muthusamy et al 2014).…”