Genetic and physical mapping of homoeologous recombination points involving wheat chromosome 2B and rye chromosome 2R

A. J. Lukaszewski, K. Rybka, V. Korzun, S. V. Malyshev, B. Lapinski, and R. Whitkus

Abstract: Wide hybrids have been used in generating genetic maps of many plant species. In this study, genetic and physical mapping was performed on ph1b-induced recombinants of rye chromosome 2R in wheat (Triticum aestivum L.). All recombinants were single breakpoint translocations. Recombination 2RS–2BS was absent from the terminal and the pericentric regions and was distributed randomly along an intercalary segment covering approximately 65% of the arm's length. Such a distribution probably resulted from structural differences at the telomeres of 2RS and wheat 2BS arm that disrupted telomeric initiation of pairing. Recombination 2RL–2BL was confined to the terminal 25% of the arm's length. A genetic map of homoeologous recombination 2R–2B was generated using relative recombination frequencies and aligned with maps of chromosomes 2B and 2R based on homologous recombination. The alignment of the short arms showed a shift of homoeologous recombination toward the centromere. On the long arms, the distribution of homoeologous recombination was the same as that of homologous recombination in the distal halves of the maps, but the absence of multiple crossovers in homoeologous recombination eliminated the proximal half of the map. The results confirm that homoeologous recombination in wheat is based on single exchanges per arm, indicate that the distribution of these single homoeologous exchanges is similar to the distribution of the first (distal) crossovers in homologues, and suggest that successive crossovers in an arm generate specific portions of genetic maps. A difference in the distribution of recombination between the short and long arms indicates that the distal crossover localization in wheat is not dictated by a restricted distribution of DNA sequences capable of recombination but by the pattern of pairing initiation, and that can be affected by structural differences. Restriction of homoeologous recombination to single crossovers in the distal part of the genetic map complicates chromosome engineering efforts targeting genes in the proximal map regions.

Key words: homoeologous recombination, genetic mapping, RFLP, RAPD, wheat, rye.

Résumé : Des croisements éloignés ont été utilisés chez de nombreuses espèces végétales pour produire des cartes génétiques. Dans ce travail, une cartographie tant génétique que physique a été réalisée sur des recombinants du chromosome 2R, lesquels ont été induits par la mutation ph1b chez le blé. Tous les recombinants découlaient de translocations simples. Aucune recombinaison 2RS-2BS n'a été observée dans les régions terminales ou pericentriques, tandis que les événements de recombinaison étaient distribués aléatoirement au sein d'un segment interne correspondant à environ 65 % de la longueur du bras chromosomique. Une telle distribution résulte vraisemblablement de différences structurales au niveau des télomères des bras 2RS et 2BS, lesquelles différences perturberaient l'initiation de l'appariement télomérique. La recombinaison 2RL-2BL était limitée au dernier 25 % de ce bras chromosomique. Une carte génétique de la recombinaison homéologue 2R-2B a été produite en utilisant les fréquences relatives de recombinaison et cette carte a été alignée aux cartes des chromosomes 2B et 2R fondées sur la recombinaison homologue. L'alignement des bras courts a montré un déplacement de la recombinaison homéologue en direction du centromère. Sur les bras longs, la distribution de la recombinaison homéologue était identique à celle de la recombinaison homologue dans la moitié distale des cartes, mais l'absence d'enjambements multiples chez les recombinants homéologues a téléscopé la moitié proximale de la carte. Ces résultats confirment que la recombinaison homéologue chez le blé est le fruit d'un seul échange par bras chromosomique et que la distribution de ces uniques enjambements est semblable à celle des premiers enjambements (en position distale), lesquels se produisent entre chromosomes homologues. Cela suggère que des enjambements successifs au sein d'un bras produisent des portions spécifiques de la carte génétique. Une différence quant à la distribution de la recombinaison sur les bras court et long suggère que la localisation distale des enjambements chez le blé n'est pas dictée par la distribution des séquences capables de recombinaison, mais plutôt par la répartition des sites d'initiation de l'appariement, laquelle peut être affectée par des différences structurales. La limitation de la recombinaison homéologue à des enjambements uniques dans la portion distale de la carte génétique peut compliquer les efforts d'ingénierie chromosomique visant des gènes situés dans des régions proximales.

Mots clés : recombinaison homéologue, cartographie génétique, RFLP, RAPD, blé, seigle.

[Traduit par la Rédaction]