Wolf Prize in Agriculture (1157 Pages)

Ronald L. Phillips

981

Dissecting the maize genome by using chromosome

addition and radiation hybrid lines

Ralf G. Kynast*, Ron J. Okagaki*, Mark W. Galatowitsch*, Shannon R. Granath*, Morrison S. Jacobs*, Adrian O. Stec*,

Howard W. Rines*

†

, and Ronald L. Phillips*

‡

*Department of Agronomy and Plant Genetics and Center for Microbial and Plant Genomics, University of Minnesota, 1991 Upper Buford Circle, St. Paul,

MN 55108; and

†

Plant Science Research Unit, Department of Agriculture–Agricultural Research Service, St. Paul, MN 55108

Contributed by Ronald L. Phillips, May 13, 2004

We have developed from crosses of oat (Avena sativa L.) and maize

(Zea mays L.) 50 fertile lines that are disomic additions of individual

maize chromosomes 1–9 and chromosome 10 as a short-arm

telosome. The whole chromosome 10 addition is available only in

haploid oat background. Most of the maize chromosome disomic

addition lines have regular transmission; however, chromosome 5

showed diminished paternal transmission, and chromosome 10 is

transmitted to offspring only as a short-arm telosome. To further

dissect the maize genome, we irradiated monosomic additions

with

␥ rays and recovered radiation hybrid (RH) lines providing

low- to medium-resolution mapping for most of the maize chro-

mosomes. For maize chromosome 1, mapping 45 simple-sequence

repeat markers delineated 10 groups of RH plants reflecting dif-

ferent chromosome breaks. The present chromosome 1 RH panel

dissects this chromosome into eight physical segments defined by

the 10 groups of RH lines. Genomic in situ hybridization revealed

the physical size of a distal region, which is represented by six of

the eight physical segments, as being

Ϸ20% of the length of the

short arm, representing

Ϸone-third of the genetic chromosome 1

map. The distal

Ϸ20% of the physical length of the long arm of

maize chromosome 1 is represented by a single group of RH lines

that spans >23% of the total genetic map. These oat–maize RH

lines provide valuable tools for physical mapping of the complex

highly duplicated maize genome and for unique studies of inter-

specific gene interactions.

P

lants with one chromosome (monosomic) or one pair of

homologous chromosomes (disomic) of an alien donor spe-

cies added to the entire recipient species chromosome comple-

ment serve to dissect the donor genome into individual chro-

mosome entities and separate them from their own genome

remnant. The transfer liberates the added chromosome (pair)

from the interactive gene expression network of the donor

genome and puts the chromosome’s genes into the environment

of the host genome. This new structural and functional situation

can create novel orthologous and nonhomologous gene-to-gene

interactions and, hence, helps to answer fundamental questions

about gene expression control, inheritance, and syntenic corre-

spondence among different plant species, especially those with

large genomes, including maize, with a 1C content of

Ϸ2.7 billion

base pairs [Plant DNA C-Values Database (Release 2.0, January

2003), M. D. Bennett and I. J. Leitch, http:

͞͞rbgkew.org.uk͞

cval

͞homepage.html] and a subgenome structure reflecting an-

cient tetraploidy (1).

By crossing maize to oat, (oat

ϫ maize)F

1

proembryos were

generated, of which 5–10% could be rescued in vitro. Molecular

and cytological analyses showed retention of one or more maize

chromosomes in addition to the haploid oat genome in 34% of

the F

1

plants (2–7). Because haploid oat frequently develops

unreduced gametes (8), subsequent self-fertilization of (oat

ϫ

maize)F

1

plants with one maize chromosome added to the

haploid oat genome (n

ϭ 3x ϩ 1 ϭ 22) can produce F

2

offspring

with one homologous maize chromosome pair added to the

doubled haploid (hexaploid) oat genome (2n

ϭ 6x ϩ 2 ϭ 44)

among other euploid and aneuploid types (9).

A complete series of oat–maize chromosome addition lines

(10) has enabled markers and genes to be physically allocated to

maize chromosomes without a need for detectable polymor-

phisms. These unique plant materials confirmed interchromo-

somal duplicate loci on a large scale, one of the obstacles to

whole-genome sequencing. Numerous locus duplications com-

plicate the reassembly of a set of shotgun DNA sequences.

Oat–maize chromosome addition lines, however, physically sep-

arate these interchromosomal maize orthologs and paralogs

from each other and make them accessible to mapping, sequenc-

ing, and cloning, even in cases where the duplicated loci of

interest carry genes with monomorphic allelic sequences.

A second obstacle that impedes sequencing of the complete

maize genome by today’s technology is the repetitive nature of

Ϸ85% of the maize DNA. Thus, sequencing strategies are being

tested that accomplish the targeted sequencing of less repetitive

gene-rich regions (11, 12). These strategies must involve tech-

nologies that are capable of arranging those gene islands along

the chromosomes and bridging long gaps between contigs.

Generating random breaks in the maize chromosome in an

identified monosomic oat–maize chromosome addition line and

maintaining diminutive maize chromosomes or pieces translo-

cated into oat can provide DNA panels of radiation hybrid (RH)

lines, which allow for a presence vs. absence test of markers

without the need for polymorphisms (13). With sufficient reso-

lution that is determined by the number and distribution of

breaks along the maize chromosomes, RH lines can contribute

to placing contigs in the correct order. A panel of RH lines for

maize chromosome 9 has demonstrated the efficient mapping of

molecular markers (14).

This report summarizes the status for the oat–maize chromo-

some addition line production and characterization, including

the irregular transmission behavior of maize chromosomes 5 and

10 in oat, the last two maize chromosomes recovered as fertile

oat–maize addition lines. We also illustrate the development of

oat–maize RH lines from addition plants for maize chromosome

1. We show the use of these RH lines for physical mapping and

relating genetic map distances to physical chromosome segment

sizes.

Materials and Methods

Plant Material.

Plants of oat (Avena sativa L.) cultivars GAF-Park,

Kanota, Preakness, Starter, Stout, Sun II, and the MN-hybrid

(MN97201-1

ϫ MN841801-1) were grown and crossed by maize

This report was presented at the International Congress ‘‘In the Wake of the Double Helix:

From the Green Revolution to the Gene Revolution,’’ held May 27–31, 2003, at the

University of Bologna, Bologna, Italy. The scientific organizers were Roberto Tuberosa,

University of Bologna, Bologna, Italy; Ronald L. Phillips, University of Minnesota, St. Paul,

MN; and Mike Gale, John Innes Center, Norwich, United Kingdom. The Congress web site

(www.doublehelix.too.it) reports the list of sponsors and the abstracts.

Abbreviations: BC, backcross; GISH, genomic in situ hybridization; RH, radiation hybrid; SSR

marker, simple-sequence repeat marker.

‡

To whom correspondence should be addressed. E-mail: [e-mail].

© 2004 by The National Academy of Sciences of the USA

www.pnas.org

͞cgi͞doi͞10.1073͞pnas.0403421101

PNAS

͉ June 29, 2004 ͉ vol. 101 ͉ no. 26 ͉ 9921–9926

PLANT

BIOLOGY

Copyright (2004) National Academy of Sciences, USA.

38_2006-7 Phillips.p65

06-Mar-09, 7:49 PM

981

---