Improving the seed yield potential of tetraploid red clover (Trifolium pratense L.)

Abstract

Tetraploid red clover has similar forage properties as diploid red clover. However, tetraploid red clover plants are taller, have thicker stems, larger leaves and flower heads, and bigger seeds resulting in higher forage yield than diploid red clover plants. However, the seed yield of tetraploids is significantly lower than of diploids, which is challenging for seed companies. For farmers to be able to benefit from higher forage yield of tetraploids, the seed yield of tetraploid red clover has to be improved. In this project, we studied different aspects of seed yield in tetraploid red clover, focusing on seed yield components. In two consecutive years, twelve Norwegian and Swedish cultivars/breeding lines were studied as spaced plants and in dense canopy trials. Trials with spaced plants were established at one locality while the trials with dense canopies were established at four locations (two in Norway and two in Sweden). Seed yield per flower head was identified as the seed yield component most strongly correlated with the seed yield per plant and with the seed yield per area. Additionally, we found that the seed yield was significantly higher in cultivars developed by crossing of existing tetraploids than in neopolyploids. Our study also aimed to identify putative genes that control seed yield in tetraploid red clover. Transcriptomic analysis was performed on flower buds obtained from two relatively high and two low seed yielding plants, with the aim of identifying transcripts that potentially are involved in determination of seed yield. Genes related to flower development, pollen pistil interactions, photosynthesis and embryo development were differentially expressed in the two genotypes contrasting in seed yield. A significant number of genes related to pollination was overrepresented in the high seed yielding genotypes, which might be a reason for their good seed setting ability. The candidate genes detected in this study might be used to develop molecular tools for breeding tetraploid red clover varieties with improved seed yield potentials.

Tetraploid rødkløver har samme egenskaper som diploid rødkløver, men den er høyere, har tykkere stengler, større blader, større blomsterhoder og større frø. Som resultat av dette er fôravlingene større sammenlignet med diploid rød kløver. Dessverre gir tetraploid rødkløver betydelig lavere frøavling, noe som byr på utfordringer når frøfirmaene skal produsere frø til sine engfrøblandinger. For at bonden skal fortsette å ha nytte av de gode egenskapene som tetraploid rødkløver har, må frøavlingen forbedres. Vi har studert ulike frøavlingskomponenter som påvirker frøavlspotensialet i tetraploid rødkløver. Målet var å identifisere komponenter som kan benyttes til å øke frøavlingen ved foredling. Tolv norske og svenske sorter/foredlingslinjer ble studert i enkelplanteforsøk og i tett bestand i to påfølgende år. Enkelplanteforsøk ble anlagt på ett sted mens forsøkene i tett bestand ble anlagt på fire steder (to i Norge og to i Sverige). Frøavling per blomsterhode ble identifisert som den frøavlingskomponenten som hadde størst betydning både i enkelplanteforsøk og i tett bestand. I tillegg ble det funnet at tetraploide sorter som var utviklet ved å krysse eksisterende tetraploide planter ga høyere frøavling enn sorter utviklet ved å kromosomfordoble diploider. Et av målene var også å identifisere gener som potensielt påvirker frøavling i tetraploid rødkløver. RNA sekvensering av blomsterknopper fra to planter med relativ høy frøavling og to med relativt lav frøavling hadde som mål å identifisere overuttrykte og underuttrykte transkripter som kunne forklare forskjellene i frøavling mellom disse plantene. Gener relatert til blomster-utvikling, pollen-griffel samspill, fotosyntese og embryo utvikling var forskjellig utrykt i planter med lav og høy frøavling. Et betydelig antall gener relatert til pollinering var overuttrykt i planter med høy frøavling som kan være grunn til dens høy frøavlingsevne. Kandidat gener identifisert i denne studien kan muligens brukes til å utvikle molekylære verktøy for foredling av tetraploid rødkløver med større frøavling.