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Swedes are extremely common as a root vegetable in Europe, USA, and Canada but are affected by the occasional presence of Brown Heart (BH) disorder affecting the marketable swede root. The incidence of BH has been reported worldwide however it is very difficult to breed resistance due to its sporadic occurrence with no external symptoms to select for. BH has been attributed to boron availability but attempts to link BH appearance definitively with boron deficiency have been difficult. Anecdotal evidence from breeders and growers highlighted the recent co-appearance of BH and frost injury in the field and it was postulated that if an association (physiological or genetic) can be determined between BH appearance and another more easily assessed trait such as frost susceptibility, then a frost tolerance screen may be developed as a useful surrogate method to screen for BH resistance. Frost hardiness assessment of 12 swede genotypes including some F1 hybrids was carried out. Results showed that some genotypes (like Ag31, Me77c and Or13) were more susceptible to frost (EL50 circa -7 ˚C) whilst others (like Gr19 and Ly01) were classified as more tolerant. Breeder trials data from the UK and Germany over a 10 year period showed that 85% of the BH incidence was associated with genotypes that had the frost susceptible lines Ag31, Or13 or Me77c in their parentage. To investigate this association further, frost susceptible and tolerant genotypes, together with a number of their F1 hybrids, were evaluated in a field trial for their response to boron treatments (0.00, 1.35, 1.80 and 2.70 kg B ha-1). At maturity, BH incidence and its severity was predominantly affected by genotype but could be ameliorated by boron application. Ag31 was confirmed to be the most susceptible to BH, and Or13 and Me77c were intermediate in their susceptibility. F1 hybrids between any two susceptible parents were also susceptible to BH. In contrast, genotypes Gr19 and Ly01 were confirmed to be highly resistant to BH and did not show any BH symptoms even at zero boron applied. F1 hybrids between resistant and susceptible lines demonstrated the BH resistant phenotype. Resistance to BH was therefore confirmed as a dominant trait with either a BHBH or BHbh genotype, whilst susceptibility was recessive bhbh. A degree of quantitative variation existed in the severity of the BH suggesting that BH resistance was not a single gene effect. BH severity was significantly negatively correlated (r = - 0.632) with root boron content in susceptible genotypes. The genotypes which were BH resistant in this trial were also more tolerant to frost in screening tests and this association was investigated further at a molecular level. Cold acclimation (CA) for 14 days at 4 ˚C positively affected the response of swede to frost, lowering the EL50 by -1.5˚C, and boron reduced the EL50 by -2.2˚C under non-acclimating conditions and by -1.2˚C under CA. Both boron and CA increased the catalase (CAT) and super oxidase dismutase (SOD) concentrations in swede leaves. Molecular analysis clearly demonstrated the presence of the B.napus cold response gene in swede, BN115, and was shown to be up-regulated due to both CA and boron application but differed between the two genotypes tested. The more frost resistant Gr19 showed a better response than the susceptible Ag31. Boron application reduced EL50 by -2.3˚C for Ag31 and -3.1˚C for Gr19. Given the association between frost tolerance and BH resistance it is suggested that a frost test screen could be used as a useful surrogate method to screen for BH resistance in swede breeding programmes.

Methods were developed to study delayed light emission (luminiscence) and fluorescence changes in intact leaves of plants. Delayed light emission, detected from plants in darkness, was used to produce images of the plant leaves. The procedure was termed "phytoluminography". The use of the method is suggested for dia- nostic purposes at early stages of disturbances of the leaf tissues, not detectable with the naked eye. The delayed light emission is associated with the photochemistry of photosystem II and the light induced conversion and storage of energy in the thylakoid membrane system of chloroplasts. Fluorescence yield changes were induced by lowering temperature between 20 C and -20 C. The temperature induced fluorescence changes in leaves parallel the temperature induced changes in isolated chloroplasts in reaction preparations mediating photosynthetic electron transport from endogenous water splitting to added NADP. At above freezing temperatures, lowering the temperature at a constant rate of 1 C per minute caused supressed electron transport and increased fluorescence yield which were linearely dependent on the temperature change in frost resistent plants. Repeated freeze-thaw cycles between 20 °C and -20 °C induced variable fluorescence yield changes which were gradually depleated to F0 or Fm when the electron transport was injuried on the oxidizing or on the reduzing side of photosystem II, respectively. The temperature induced fluorescence changes were used to characterize plants with different ability to withstand freezing temperatures. The method also discriminates between plants of different frost resistance, and the method was used in screening for frost tolerance. / <p>Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 1981, härtill 5 uppsatser.</p> / digitalisering@umu

Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um - basierend auf 208 hochgradig homozygoten Inzuchtlinien - genetisch die Frosttoleranz von Ackerbohnen (Vicia faba L.) zu analysieren. Die Inzuchtlinien sind in drei Sätzen organisiert: Original-Satz (N=208, O-Satz), Winterbohnen-Satz (N=196, WB-Satz; eine Untermenge des O-Satzes), und Assoziations-Satz (N=186, A-Satz; eine Untermenge des WB-Satzes). Alle Experimente fanden statt: in der sog. Frost-Kammer (Pflanzenwuchskammer), im Gewächshaus, im Molekulargenetischen Laboratorium, oder im Zuchtgarten (Versuchsstation Reinshof der Georg-August-Universität Göttingen). Insgesamt wurden 65 morphologische Merkmale (Saison 2011/2012 und 2012/2013), physiologische Merkmale (Saison 2011/2012), und Feld-Merkmale (Saison 2012/2013) erfasst. Daraus werden 25 Merkmale für diese Studie hier verwendet. Mittels des A-Satzes und mit 156 polymorphen SNP-Markern wurde eine Assoziationsanalyse durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchung war, eine markergestützte Züchtung auf Frosttoleranz bei der Ackerbohne vorzubereiten, und also QTLs für Frosttoleranz für zukünftige Zuchtprogramme zu detektieren. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden. 1- Es wurde eine hohe genetische Variation zwischen allen Linien (Original-Satz) beobachtet, für alle acht morphologische Merkmale, die an Spross und Wurzel von Ackerbohnen-Jungpflanzen erfasst wurden. Die Pflanzen wurden über 10 Tage (5°C) gehärtet und dann während dreier Nächte einem Frost ausgesetzt (-16°C, -18°C, -19°C). Alle Merkmale zeigten eine hohe Wiederholbarkeit (h²), die Schätzwerte reichten von h2=59,45 für Wurzel-Frostempfindlichkeit bis zu h2=94,71 für den Blattturgor- und Blattfarbverlust. Darüber hinaus wurden hochsignifikante phänotypische und genotypische Korrelationen zwischen den morphologischen Merkmalen unter Froststress entdeckt. Die genotypischen Korrelationen zwischen den Merkmalen waren höher als die phänotypischen Korrelationen. Die höchste genetische (rg=-0,96) und phänotypische (rp= -0,83**) Korrelation wurde zwischen dem Wiederaufwuchs und der Wurzel-Frostempfindlichkeit gefunden. Zur Charakterisierung der Frosttoleranz von Ackerbohnen wurden drei Selektionsindices berechnet. Der wichtigste war der Frosttoleranz-Index, weil er zwei Schlüsselaspekte kombiniert: die Überlebensneigung und den Wiederaufwuchs. Diese hohe genetische Variation, phänotypische Korrelation, genotypische Korrelation, und hohe Wiederholbarkeit versprechen, dass ein Ausleseprozess zur erblichen Verbesserung der Frosttoleranz fruchtbar und effektiv wäre. 2- Als physiologische Parameter mit Beziehung zur Frosttoleranz der Ackerbohne wurde die Fettsäurezusammensetzung nach Härtung (5°C) und der relative Sproßwassergehalt (vor und nach Frost) studiert. Für diese physiologischen Parameter wurde der WB-Satz benutzt. Die genetische Variation in den aufgefundenen Fettsäure-Gehalten und im relativen Sproßwassergehalt wurde festgehalten. Alle physiologischen Kennwerte zeigten sehr hohe Wiederholbarkeitsschätzwerte (62,78 < h2 < 89,04). Wir erwartet war die Korrelation zwischen den ungesättigten Fettsäuren und den gesättigten Fettsäuren negativ (rp = -0,62, rg = -0,84**). Eine Erhöhung der ungesättigten Fettsäuren geht in Ackerbohnen bekanntermaßen mit einer Verringerung der gesättigten Fettsäuren einher. Eine ähnlich negative und signifikante Korrelationen (r = -0,20**) wurde zwischen dem Wassergehalt nach Frost und dem Wassergehalt vor Frost (nach Härtung) gefunden. Es ist gängiges Wissen, dass die Frosttoleranz von Pflanzen mit der Fähigkeit der Pflanzen assoziiert ist, die Eiskristallbildung während des Frosts im Spross- und Wurzelgewebe zu modulieren. Es wurden signifikante Korrelationen zwischen morphologischen und physiologischen Merkmalen gefunden. Der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren war mit dem Frosttoleranz-Index positiv korreliert (r = 0,22**). Darüber hinaus war die Verringerung des Wassergehaltes durch Froststress hochsignifikant korreliert mit allen morphologischen Merkmalen. Solche Korrelationen bieten eine verbesserte Beschreibung des physiologischen Verhaltens, welches die Pflanzen dem Frost gegenüber zeigen. 3- Der WB-Satz wurde auch benutzt, um die genetische Variation der Winterhärte der Genotypen in einem einjährigen Feldversuch zu überprüfen. Eine hohe, signifikante Variation wurde für alle Feldmerkmale gefunden. Die Wiederholbarkeitsschätzwerte reichten von 61,98 für Kornertrag (g/2m2) bis zu 92,03 für Blühbeginn. Die Linien S_299 und S_271 kombinierten hohe Winter-Überlebensraten mit niedriger Frostanfälligkeit des Blattes und mit hohem Kornertrag unter Feldbedingungen. Dieselben Genotypen rangierten bei den Besten für Frosttoleranz in den Frostkammer-Experimenten. Interessanterweise zeigten mehrere Feldmerkmale signifikante Korrelationen mit Merkmale aus der Frostkammer. Die höchste Korrelation (r=0,39**) war die zwischen Wiederaufwuchs (Frostkammer) und Winter-Überlebensrate (Feld). 4- Um die Verbesserung der Frosttoleranz der Ackerbohne weiter nach vorne zu bringen, wurde ein Assoziationsanalyse-Ansatz mit dem A-Satz gefahren. Als Ergebnis liegen nun 70 mutmaßliche QLTs vor, die sieben morphologische Merkmale (Überlebensneigung, Blattturgor- und Blattfarbverlust, Frosttoleranz-Index, Wuchshöhe, Index1, Index2, und Sproß-Frischmasse nach Frost) und sechs physiologische Merkmale (Gehalt an gesättigten Fettsäuren, Gehalt an ungesättigten Fettsäuren, relativer Wassergehalt vor Frost, relativer Wassergehalt nach Frost, Verringerung des Wassergehaltes durch Froststress, und C16:0-Gehalt, also Palmitinsäuregehalt) betreffen. Das Gametenphasenungleichgewicht zwischen Marker-Loci zeigte ein sehr niedriges Niveau (r2=0,00075). Darüber hinaus zeigt die Hauptkoordinatenanalyse für genetische Distanzen zwischen den A-Satz-Linien keine offensichtliche Struktur in dieser Linienpopulation. Mehrere Marker zeigten eine signifikante Assoziation mit mehr als einem Merkmal, was ernstlich die Hoffnung erhöht, dass der markergestützte Ausleseansatz für die Verbesserung der Frosttoleranz bei der Ackerbohne genutzt werden kann.

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- Ph.D. thesis - Milan Urban, 2017 In some years, the agricultural production of oilseed rape, an important crop in the Czech Republic, is - besides biotic stress - facing the problem of damage caused by frost or drought. Together with special attention paid to proteins revealing responses between crop genotypes with differential abiotic stress tolerance levels we reviewed possible applications of proteomic results in crop breeding programs aimed at an improvement of crop stress tolerance (paper 1). For first original result, cold temperature was imposed upon non-vernalized plants in the stage of leaf rosette. The article (paper 2) shows a significant correlation between frost tolerance (FT), dehydrin (DHN) accumulation, and photosynthetic acclimation in five cultivars (cvs). Newly, the specific DHN D97 was shown to accumulate and other DHNs were shown to have qualitative differences in accumulation. These results imply that proper FT assessment is based on rapid photosynthetic acclimation together with higher accumulation of protective compounds. Drought stress (paper 3) was imposed in the water- demanding stem prolongation phase before flowering, because late-spring drought before and during flowering decreases the yield and seed quality significantly. This paper newly describes two water-uptake...