using genomic selection in barley to improve disease resistance

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Using Genomic Selec.on in Barley to Improve Disease Resistance Kevin P. Smith, Vikas Vikram, Ahmad Sallam, Aaron Lorenz, JeanLuc Jannink, Jeffrey Endleman, Richard Horsley, Shiaoman Chao, and Brian Steffenson

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Kevin P. Smith, Vikas Vikram, Ahmad Sallam, Aaron Lorenz, Jean-­‐Luc Jannink, Jeffrey Endleman, Richard Horsley, Shiaoman Chao, and Brian Steffenson

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Page 1: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Using  Genomic  Selec.on  in  Barley  to  Improve  Disease  Resistance  

Kevin  P.  Smith,  Vikas  Vikram,  Ahmad  Sallam,  Aaron  Lorenz,  Jean-­‐Luc  Jannink,  Jeffrey  Endleman,  Richard  Horsley,  Shiaoman  Chao,  and  Brian  Steffenson    

Page 2: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Genomic  Selec.on  Training  populaGon  

Line  1   76   1   1   1  Line  2   56   1   1   1  Line  3   45   1   1   1  Line  4   67   0   1   0  

Line  n   22   1   1   1  

   Line                  Yield        Mrk  1    Mrk  2  …              Mrk  p  

…  

Model  training  

SelecGon  candidates  

Line  A   1   1   1  Line  B   1   1   1  Line  C   1   1   1  Line  D   0   1   0  

Line  n   1   1   1  

   Line                  Yield        Mrk  1    Mrk  2      …          Mrk  p  

…  

Parent  selecGon  

Line  A   80   1   1   1  Line  B   67   1   1   1  Line  C   56   1   1   1  Line  D   89   0   1   0  

Line  n   23   1   1   1  

Line            GEBV          Mrk  1    Mrk  2    …        Mrk  p  

…  

Basic  framework  GEBV  =  genomic  es.mated  breeding  value  

PredicGon      

1

ˆp

i j i jj

GEBV b x=

=∑1

p

i j i jj

y b x=

=∑

Page 3: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

R/T  =                              i  r  ∂A  

Gain per Year

Selection Intensity

Accuracy

Genetic Variance

# Breeding Cycles Year

                 Crossing  1              F1                    F2                    F3  2              F4                    F5  Head  Rows  3              1st  Year  Yield  4              2nd  Year  Yield  5              3rd  Year  Yield  6              Regional/Industry  7              Regional  Industry  8              Variety  Release    

Genomic  Selec,on  Improves  Gain  per  Time  

Page 4: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Barley  Predic.on  Data  Sets  

USDA Regional Genotyping Centers

Fargo

Triticeae Toolbox http://triticeaetoolbox.org/

SNP Map Ten U.S. Barley Breeding Programs

Fargo,  ND  Raleigh,  NC  Manha[an,  KS  Pullman,  WA  

Page 5: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Assessing  Predic.on  Accuracy  

Training  PredicGon   Sub-­‐sample    

Single  Data  Set  

Dis.nct  Training  and    Predic.on  Data  Sets  

Training  =  Parents  Predic.on  =  Progeny  

CROSS  VALIDATION  

INTER-­‐SET  VALIDATION  

PROGENY  VALIDATION  

RelaGve  Accuracy  =  CorrelaGon  (GEBV,  Observed)/Sqrt(Heritability)  

Page 6: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Fusarium  Head  Blight    (FHB)  Another  challenging  disease  in  Barley  

Major  outbreak  in  Midwest  U.S.  in  1993  

Mycotoxin  deoxynivalenol  (DON)  

Sources  of  resistance  are  unadapted  

Quan.ta.vely  inherited  resistance  

Many  QTL  with  small  effects  

Challenging  to  phenotype  

Page 7: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Barley  CAP    FHB  Six-­‐row  Midwest  Data  Set  

 

896  six-­‐row  lines  3,072  SNPs  

Mean  of  4  trials  Evaluated  over  4  years  

Busch  Agriculture  BA  

U.  Minnesota  UM  

North  Dakota  State  ND  

CAP  I  CAP  II  CAP  III  CAP  IV  

96  96  96  96  

32  32  32  32  

96  96  96  96  

Page 8: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Training  Panel  and  Marker  Set  Size  

Lorenz  et  al.,  2012  

Training  Pop  =  200;  384  Markers  

Page 9: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Cross  and  Inter-­‐Set  ValidaGon  

Training  PopulaGon    POP1        POP2          POP1        POP2        POP1  +  POP2  POP1  +  POP2  

ValidaGon  PopulaGon  

POP1  POP2    

POP2  POP1  POP1  POP2  

RelaGve    Accuracy  0.78  0.56    0.38  0.24  0.65  0.68  

UM                BA                  ND  

Lorenz  et  al.,  2012  

Page 10: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

UM  –  ND  CollaboraGve  Breeding  

UM   ND  

480   480   480  

21  Parents  

Random  Progeny  

100   100   100  UM  x  UM   UM  x  ND   ND  x  ND  

Page 11: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Progeny  ValidaGon  

Progeny    Panel  UM  x  UM  ND  x  ND  UM  x  UM  ND  x  ND  UM  x  UM  ND  x  ND  UM  x  ND  

Training  anel  POP1  POP1  POP2  POP2  POP1  +  POP2  POP1  +  POP2  POP1  +  POP2  

RelaGve  Accuracy  0.58  0.07  0.26  0.48  0.56  0.40  0.35  

Cross  ValidaGon  Accuracy  0.78  0.38  0.24  0.56  0.65  0.68  

Vikram  et  al.,  in  prep.  

Page 12: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

UM  –  ND  Breeding  Lines  

UM   ND  

480   480   480  

21  Parents  

Random  Progeny  

100   100   100  89  

UM  Phenotypic  SelecGon  

89  CAP  Training  Panel  384  SNP  markers  DON  and  Yield  

2  Loca.on  /  2  Rep  FHB  and  DON  

Page 13: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Gain  from  SelecGon  for  DON  (Cycle  1)  

0  

50  

100  

0.4  0.6  0.8  1.0  1.2  1.4  1.6  1.8  2.0  2.2  2.4  2.6  2.8  3.0  

0  

20  

40  

0.4  0.6  0.8  1.0  1.2  1.4  1.6  1.8  2.0  2.2  2.4  2.6  2.8  3.0  

Genomic  Selec.on  

Random  Selec.on  

0  

20  

40  

0.4  0.6  0.8  1.0  1.2  1.4  1.6  1.8  2.0  2.2  2.4  2.6  2.8  3.0  

Phenotypic  Selec.on  

DON  rela.ve  to  variety  Quest  

Page 14: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Vulnerability  of  Barley  to  Race  TTKSK    

•  Over  2,800  Hordeum  accessions  evaluated  as  seedlings  &  adults    

•  More  than  97%  were  suscep.ble  including  those  carrying  Rpg1  

Page 15: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Genetics of Resistance to Race TTKSK

•  Six diverse resistant Hordeum accessions were subject to genetic analysis

•  All were found to carry rpg4/Rpg5 complex, the only major genes known to confer resistance to TTKSK

•  Further highlights the extreme vulnerability of barley

Page 16: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Univ.  Minnesota  North  Dakota  State  (2-­‐row)  North  Dakota  State  (6-­‐row)  

Washington  State  Montana  State  USDA  –  Idaho  Utah  State  

Busch  Agriculture  

8  Spring  Barley  Breeding  Programs  Screened  in  Kenya  for  Ug99  

CAP  I  CAP  II  CAP  III  CAP  IV    

Screened  in  2010    Screened  in  2011    

Barley  CAP    Spring  Barley  Adult  Stem  Rust  (TTKSK)  Data  Set  

 

Page 17: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Barley  CAP    Mapping  and  Breeding  Infrastructure  

 University  of  Minnesota  

 Breeding  Program  

U.  Minnesota  UM  

CAP  I  CAP  II  CAP  III  CAP  IV    

192  lines    192  lines    

Page 18: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Kenya  Adult  Plant  Screening  for  UM  Breeding  Lines  

0  20  40  60  80  

100  

0   10  20  30  40  50  60  70  0  

50  

100  

150  

200  

S   MS   MR   R  

InfecGon  Type   Disease  Severity  

Page 19: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Kenya  Adult  Plant  Screening  for  UM  Breeding  Lines  

Inter-­‐Set  Valida.on  

                                                                                   Rela.ve  Training        Predic.on        Accuracy  I  &  II                          III  &  IV                          0.28  III  &  IV                    I  &  II                                0.29  

Page 20: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Expand  Training  PopulaGon  and  Parents    

0  20  40  60  80  

100  

0   10  20  30  40  50  60  70  

CAP  III  and  IV  All  Programs   CAP  MN  Only  

0  

200  

400  

600  

0   10  20  30  40  50  60  70  80  

Page 21: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Summary  Reasonable  rela.ve  accuracies  (>0.50)  possible  with:                  Training  panels  of  200  individuals                  384  SNP  markers                  “Relevant”  training  popula.ons  

Good  predic.on  accuracy  seems  to  translate  into  gain  from  selec.on  

GS  takes  into  account  mul.ple  traits  in  addi.on  to  disease  resistance.  

GS  for  adult  plant  stem  rust  resistance  in  elite  germplasm  could  complement  deployment  of  major  genes.  

Page 22: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Minnesota  Agricultural    Experiment  Sta.on  

SMALL GRAINS INITIATIVE U.S.  Wheat  &  Barley  Scab  IniGaGve  

Project  Members  /  Collaborators  /  Support  

American  Mal.ng  Barley  Associa.on  

University of Minnesota Brian Steffenson, Ruth Dill-Macky Yanhong Dong,

Smith Lab Ed Schiefelbein Guillermo Velasquez Karen Beaubien Ahmad Sallam Stephanie Navarra Vikas Vikram Danelle Dykema Chris Kucek Mathilde Chapuis

Other Institutions Kay Simmons, USDA Dave Marshall, USDA Shiaoman Chao, USDA; Richard Horsley, NDSU; Jean-Luc Jannink, USDA Jeff Endelman, Univeristy of Wisconsin Aaron Lorenz, University of Nebraska

Page 23: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Ques.ons  

Page 24: Using Genomic Selection in Barley to Improve Disease Resistance

Genomic  SelecGon  

2006 2007 2008 2009 Training  Popula.on  

2009  2010  

2011  

2012  

Fall  Crossing  21  parents  Winter                        F1  Summer                  F2  

Fall                                    F3  Winter                        F4  Summer      C1  Ran  C1  Sel                                            F1  

Fall                                                                                                                    F2  Winter                                                                                                          F3                                              Crossing  Parents      

Summer                                                                            C2  Ran  C2  Sel                                                      F1  Fall                                                                                                                                                                                                    F2  Winter                                                                                                                                                                                          F3  

Summer                                                                                                                                                                  C2  Ran  C2  Sel  

2013  

Crossing  Parents