Wolf Prize in Agriculture (1157 Pages)

Ronald L. Phillips

983

fertility of that plant, and the stability of a maize chromosome

appeared to be primarily dependent on the particular maize

chromosome interacting with the oat background. Furthermore,

the ability to recover a particular maize chromosome in F

1

hybrids was not correlated with the ability to produce a fertile

addition line for that chromosome. For instance, 20 F

1

hybrids

with maize chromosome 5 were produced, making the chromo-

some 5 the most frequently recovered chromosome, either as a

single chromosome addition or in combination with other maize

chromosomes; chromosome 2 addition plants were the next most

frequent with 15 F

1

plants produced. Yet, only one of the

chromosome 5 plants was fertile and transmitted the chromo-

some 5 to offspring resulting in the fertile disomic addition

OMAd5.59 in Sun II oat background. This finding can be

contrasted with chromosome 4, which has been recovered as an

addition line nine times, with three of these addition plants being

fertile and transmitting the chromosome 4 to offspring. With

respect to transmission of maize chromosomes, fertile disomic

addition lines fall into different categories. Addition lines car-

rying chromosomes 2, 3, 4, 6, and 9 exhibited little or no

problems with transmission (nearly 100% maternal and paternal

transmission rate). Lines carrying chromosomes 1 and 7 initially

had poor transmission of the maize chromosome, but after

several generations they show good transmission of the maize

chromosome (

Ͼ80% transmission rate), possibly due to selective

breeding for stable diploid offspring. Chromosomes 1, 5, and 8

additions have fertility problems even after several generations

of selection, and chromosome 10 additions have transmitted only

short-arm derivatives to offspring. Eleven disomic additions for

different maize chromosomes, including 2, 4, 5, 6, 7, 8, and 9 in

different oat backgrounds, have been added to the previously

reported set (15), making a total of 50 fertile addition lines

(Table 1).

Irregular Maize Chromosome 5 Transmission in Oat.

Disomic maize

chromosome 5 additions recovered earlier in two different oat

backgrounds (OMAd5.09 in Starter and OMAd5.17 in MN-

hybrid) show significantly diminished paternal transmission,

whereas maternal transmission of the maize chromosome 5 is

only moderately reduced. Crossing a OMAd5.09 plant as male

back to Starter produced four monosomic maize additions

among 58 BC

1

offspring, giving a paternal transmission rate of

6.9% (4 of 58). In 30 F

4

offspring of a disomic addition from the

line OMAd5.09, only 2 plants were disomic additions, which

corresponds to a minimal paternal transmission of 6.7% (2 of

30). Twenty-one plants were monosomic additions, which indi-

cates a probable maternal transmission of 76.7% (23 of 30),

although one or two of the monosomic additions could be from

paternal transmission. In a further experiment analyzing 25 F

4

offspring of a disomic addition from the line OMAd5.17, only

two plants were disomic additions, indicating a paternal trans-

mission of 8% (2 of 25). Seventeen plants were monosomic

additions, which indicates a probable maternal transmission of

76% (19 of 25). Taking data for both oat backgrounds together,

the irregular low paternal transmission of the maize chromosome

5 (6.7–8%) clearly accounts for the low frequency of disomic

addition offspring from disomic chromosome 5 addition plants.

Maize Chromosome 10 Transmission.

Chromosome 10 is the small-

est chromosome, with 190 Mbp in the Seneca 60 complement.

Yet, it was the most frequently eliminated chromosome in (oat

ϫ

maize)F

1

hybrids, indicating a low tolerance for its presence in

oat (4, 10). The first recovered monosomic addition of chromo-

some 10 occurred in a haploid of GAF-Park oat background

(10). Since that time, the plant has been vegetatively propagated

by tiller cloning under short-day conditions. Periodically, tiller

clones have been moved to a long-day regime to induce flowering

for self-pollination or backcrossing with GAF-Park pollen. After

screening thousands of spikelets over a period of

Ϸ3 years, we

recently recovered one seed. This one seed, however, did not

possess maize chromatin; thus, a maize chromosome addition

offspring has not been produced by this plant.

In this new series of oat

ϫ maize crosses, we recovered 11

plantlets that retained maize chromosome 10 as single or mul-

tiple chromosome additions, 9 plantlets in Starter oat back-

ground, and 2 plantlets in Sun II background. One chromosome

10-positive F

1

plant (F

1

-0289-1, Seneca 60

ϫ Sun II) set 189 F

2

seeds in its first four panicles (Table 2). The PCR assay with

Grande 1 showed that 28 F

2

plants originating from three

panicles were maize-positive, and 2 F

2

plants were maize-

negative. GISH analyses revealed 16 disomic and 12 monosomic

addition plants. All 10 F

2

plants originating from the fourth

panicle were maize-negative. In all 28 maize-positive plants, only

Table 1. Fertile oat–maize chromosome addition lines

Added maize

chromosome

Oat host

Maize donor

Addition

No. of

lines

1

Starter

Seneca 60

Disomic

1

2

Starter

Seneca 60

Disomic

9

2

Starter

bz1-mum9

Disomic

1

2

Sun II

Seneca 60

Disomic

2

3

Sun II

Seneca 60

Disomic

1

3

Preakness

Seneca 60

Disomic

1

4

Starter

Seneca 60

Disomic

6

4

Starter

A188

Disomic

2

4

Starter

B73

Disomic

1

5

Starter

Seneca 60

Disomic

1

5

MN-hybrid

Seneca 60

Disomic

1

5

Sun II

Seneca 60

Disomic

1

6

Starter

Seneca 60

Disomic

1

6

MN-hybrid

Seneca 60

Disomic

1

6

Sun II

Seneca 60

Disomic

1

7

Starter

Seneca 60

Disomic

4

7

GAF-Park

Seneca 60

Disomic

1

8

Starter

Seneca 60

Disomic

1

8

Starter

bz1-mum9

Disomic

1

8

GAF-Park

Seneca 60

Monosomic

1

9

Starter

Seneca 60

Disomic

7

9

GAF-Park

Seneca 60

Disomic

1

9

Sun II

Seneca 60

Disomic

1

10S

Sun II

Seneca 60

Ditelosomic

1

1

ϩ 9

Starter

Seneca 60

Double disomic

1

4

ϩ 6

Starter

Seneca 60

Double disomic

1

This table lists all available addition lines and is an update of an earlier list

that involved fewer lines (15).

Table 2. Seed set from fertile oat–maize chromosome

10S additions

F

1

-plant panicle

No. of F

2

seeds

Total Tested Maize-positive Disomic Monosomic

F

1

-0289-1

͞a

51

10

9

3

6

F

1

-0289-1

͞b

59

10

9

5

4

F

1

-0289-1

͞c

48

10

0

0

0

F

1

-0289-1

͞d

31

10

10

8

2

F

1

-5133-1

͞a

6

6

6

3

3

F

1

-5133-1

͞b

0

—

—

—

—

F

1

-5133-1

͞c

1

1

1

0

1*

F

1

-5133-1

͞d

2

2

2

1

†

1*

*Monosomic for maize chromosome 4 and monosomic for maize chromosome

10S derivative.

†

Disomic for maize chromosome 4.

Kynast et al.

PNAS

͉ June 29, 2004 ͉ vol. 101 ͉ no. 26 ͉ 9923

PLANT

BIOLOGY

38_2006-7 Phillips.p65

06-Mar-09, 7:49 PM

983

---