Wolf Prize in Agriculture (1157 Pages)

984

Wolf Prize in Agriculture

chromosome 10 short-arm-specific SSR markers (p-phi041, p-

phi117, and p-umc1293) were present; none of the long-arm-

specific markers (p-umc1249, p-umc1196, p-umc1176, and p-

umc1084) tested was detected (22). We, therefore, assume that

the chromosome transmitted to offspring in every case is a

short-arm telocentric derivative of chromosome 10 (22). The

derived line disomic for the chromosome 10 short-arm telocen-

tric was labeled OMAdt10S.20 and seeds (F

3

offspring) have

already been distributed (Table 1).

The F

1

hybrid F

1

-5133-1 originated from crosses of Starter oat

with maize B73. This hybrid possessed the three maize chromo-

somes 4, 7, and 10 in addition to the haploid oat complement at

a young growth stage. In DNA samples from both the third and

fourth tillers (F

1

-5133-1

͞c and F

1

-5133-1

͞d), SSR markers were

present for chromosome 4 and chromosome 10. Although all

three short-arm-specific markers for chromosome 10 were

present in the two DNA samples, neither sample showed evi-

dence for long-arm-specific markers. Therefore, we assume that

chromosome 10, which was accompanied by maize chromosome

4, also was a telocentric short-arm derivative of chromosome 10.

PCR analysis of the three F

2

offspring from the panicles of the

third and fourth tiller of plant F

1

-5133-1 (Table 2) showed that

only two F

2

plants had the short-arm-specific SSR markers for

chromosome 10, and none had any of the long-arm-specific SSR

markers for chromosome 10. All three F

2

plants had the chro-

mosome 4-specific SSR markers. All six F

2

offspring from the

F

1

-5133-1

͞a panicle were positive for B73 chromosome 4, three

as monosomic and three as disomic additions. The tiller F

1

-5133-

1

͞b did not set seed.

The generation of a fertile disomic telocentric addition for

chromosome 10 (OMAdt10S.20) is a major breakthrough in our

efforts to develop a complete series of fertile oat–maize addition

lines (22). However, this observation raises the question of why

does only the short arm of an added maize chromosome 10

transmit in oat. Does the long arm possess a gene that prevents

transmission in this alien background? High sterility occurs in

the highly stable whole chromosome 10 addition in GAF-Park

oat and the two independent events of short-arm derivatives of

chromosome 10 in Sun II and Starter oat, where the long-arm

telocentrics could not be established. The situation appears

similar to the difficulties of generating a disomic euplasmic

addition line for Betzes barley chromosome 1H and for its

long-arm telosome 1HL in Chinese Spring wheat (25). The

difficulties in wheat (26–28) appear to be caused by the inter-

action of the gene Shw (sterility in hybrid with wheat) with the

wheat background causing sterility. However, the sterility was

alleviated by the simultaneous addition of monosomic or disomic

chromosome 6H to the 1H addition (29). Perhaps we could select

(oat

ϫ maize)F

1

hybrids for the simultaneous additions of other

chromosomes with chromosome 10 to possibly allow fertility and

transmission of the whole chromosome 10. In addition, it may be

feasible to use additional maize genotypes that possess a differ-

ent allele of the presumed gene on chromosome arm 10L

responsible for the sterility. In the corresponding wheat–barley

addition situation, chromosome 1H of the closely related wild

barley (Hordeum vulgare L. subsp. spontaneum) was added to

wheat without causing a severe effect of sterility (30).

Oat–Maize Chromosome 1 RHs.

Monosomic oat–maize chromo-

some 1 addition seeds, the foundation for the development of

oat–maize chromosome 1 RH lines, were treated with

␥ rays at

two levels. These levels were 180 BC

1

seeds treated with 40 krad

and 120 BC

1

seeds treated with 35 krad. A total of 46 maize-

positive plants, as indicated by the presence of the markers

Grande 1 and

͞or CentA, were recovered from the 40-krad

treatments. The 35-krad treatment generated 54 maize-positive

plants. These 100 BC

1

plants were allowed to self-pollinate. Of

these, 91 panicles produced 340 BC

1

F

2

offspring that tested

negative and 171 BC

1

F

2

offspring that tested positive for maize

chromatin in their genomes, indicating successful transmission of

maize segments. It is notable that after the

␥ radiation treatment

of 300 monosomic addition seeds, only 100 plants retained their

maize chromosomes or a diminutive maize chromosome deriv-

ative. This finding indicates that a majority of the breaks

generated maize fragments that were eliminated from somatic

tissues. Earlier results showed a certain level of somatic insta-

bility for whole chromosome 1 addition plants resulting in

chromosome loss (7, 10).

A set of 45 SSR markers distributed along maize chromosome

1 was used to determine by a presence vs. absence test for each

marker approximate points of maize chromosome breakage in

the 171 BC

1

F

2

plants. All 45 SSR markers were present in 98

BC

1

F

2

plants, which represent 50 families. These plants were

considered as possessing either a whole maize chromosome

without a break or a reciprocal oat–maize translocation. These

plants will be self-pollinated, and offspring of those with recip-

rocal translocations will be selected for the segregating translo-

cated chromosomes. Nine BC

1

F

2

plants, forming five families,

showed complex rearrangements, including interstitial deletions

and multiple translocations with oat. Forty-four BC

1

F

2

plants

constituted 21 families, each representing one likely independent

(chromosome rearrangement) event (Table 3). These 44 RH

plants were placed into 10 panel groups, with plants within a

group resulting from similar maize chromosome breaks based on

marker analysis (Table 3 and Fig. 2). Fig. 2 illustrates the

definition of eight segments by seven breaks in selected RH lines

for maize chromosome 1 representing the 10 groups (Table 3).

Plants with only one break in their maize chromosome, and thus

possessing only one deficiency or one oat–maize translocation,

are shown in the first panel (Fig. 2). The markers shown in the

left column are the first and last marker present or absent and

frame the breakpoints. The points define six segments on the

short arm (p-umc1354 to p-umc168), one large segment spanning

the centromere region (p-umc1626 to p-mmc0041), and one

additional segment on the long arm (p-bnlg1720 to p-umc2244).

The apparently single breakpoint in the long arm of chromo-

Table 3. Groups of RH lines from independent chromosome

mutation events that define the same breakpoints on

chromosome 1

Treatment,

krad

No. of BC

1

plants

No. of BC

1

F

2

plants with

similar breaks

No. of

independent

events*

Panel

group

40

2

3

2

1

35

3

3

3

1

40

1

1

1

2

40

1

3

1

3

35

1

2

1

4

35

1

1

1

5

40

1

1

1

6

35

2

2

2

7

35

2

2

2

8

40

2

20

2

9

35

4

5

4

9

35

1

1

1

10

*Each irradiated BC

1

plant producing offspring with a rearranged added

maize chromosome either as a deletion or a translocation with an oat

chromosome represents at least one independent mutation event. Chromo-

somal BC

1

-plant mutants, however, are not necessarily based only on one

single rearrangement event because of potentially different mutations in

different embryo cells during irradiation. Thus, the resulting chimeric nature

of the radiated BC

1

plants among their different tillers can produce and

transmit more then one maize chromosome derivative to the corresponding

BC

1

F

2

-offspring plants.

9924

͉ www.pnas.org͞cgi͞doi͞10.1073͞pnas.0403421101

Kynast et al.

38_2006-7 Phillips.p65

06-Mar-09, 7:49 PM

984

---