Research progress on genetic improvement of Betula platyphylla Suk.

Abstract

Betula platyphylla Suk. is one of the most widely distributed species of Betula, the fourth most valuable timber species in north-eastern China and also a common tree species for landscaping. Over the past 30 years, effective progress has been made in genetic improvement and molecular breeding of B. platyphylla. There has been extensive research on breeding techniques, including the collection and conservation of B. platyphylla germplasm resources, provenance trials, intensive breeding techniques, crossbreeding and asexual propagation techniques, ploidy breeding and mutation breeding technology, genome sequencing, gene cloning, transgenic and molecular mechanisms of wood formation. A Betula germplasm resource collection has been established by collecting different provenances, and full-sib and half-sib families. In addition, the geographic variation patterns of B. platyphylla provenances have been revealed, and the provenance division and superior provenance selections made. B. platyphylla flowering and seeding have been improved through intensive breeding techniques. Interspecific hybridization, intraspecific hybridization and parallel crosses were made using fine parents, and B. platyphylla intensive seed orchards have been established. Systems of asexual propagation, including cuttings, grafting and tissue culture have been established. A B. platyphylla tetraploid was successfully constructed and a B. platyphylla triploid seed orchard established. The growth, wood property and resistance genes of B. platyphylla have been cloned. An efficient B. platyphylla transgenic system mediated by Agrobacterium tumefaciens was established, and genes encoding B. platyphylla insect resistance, drought resistance and salt tolerance, lignin synthesis, flowering, hormone transport and balance obtained. B. platyphylla molecular markers were developed and the high density B. platyphylla genetic map constructed. All this research has provided a model and data for the foundation of forest genetic improvement and applied research.

Keywords

Betula platyphylla / genetic improvement / molecular breeding / seed orchard

References

[1] Frankel O H, Brown  A H D. Current plant genetic resources—a critical appraisa. Genetics: new frontiers (Vol IV). New Delhi: Oxford and IBH Publishing Company, 1984, 1–11

[2] Gepts P. Plant genetic resources conservation and utilization: the accomplishments and future of asocietal insurance policy. Crop Science, 2006, 46(5): 2278–2292

[3] Wei Z G, Gao  Y C, Liu  G F, Liu  G J, Yang  C P. Preliminary construction of core collection of Betula platyphylla germplasm. Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(10): 74–80 (in Chinese)

[4] Liu Y, Xu  H W, Shang  F Q, Jiao  H, Zhang L M,  Luo J X,  Teng W H,  Jiang J. Growth stability of Betula platyphylla provenances from three sites. Journal of Beijing Forestry University, 2016, (5): 50–57 (in Chinese)

[5] Liu G F, Jiang  X B, Liu  J C, Li  J Y, Wang  Y C, Hu  R T, Wang  H R, Teng  W H, Peng  H M, Yang  C P. Study on the joint analysis of provenances of Betula Platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 1999, (5): 9–14 (in Chinese)

[6] Gao F L, Jiang  T B. Construction of genetic linkage maps of silver birch based on AFLP markers. Heredita s, 2009,31(2): 213–218 (in Chinese)

[7] Jiang J, Yang  C P, Liu  G F, You  X L, Wang  Y C. Provence trial of Betula platyphylla Suk. in seedling stage. Journal of Northeast Forestry University, 1999, (6): 1–3 (in Chinese)

[8] Zhu X, Liu  G F, Yang  C P, Liu  Z X, Yuan  G H, Liu  J C, Li  J Y. Provenance division and optimal provenance selection of Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 2001, (5): 11–14 (in Chinese)

[9] Yang C P, Liu  G F, Wei  Z G, Wu  Y L, Zhou  Y M. Study on intensive breeding technique of accelerating Betula platyphyll a flowering and seeding early. Scientia Silvae Sinicae, 2004, 40(6): 75–78

[10] Liu X M, Yang  C P. Temporal characteristics of developmental cycles of female and male flowers in Betula platyphylla in northeastern China. Scientia Silvae Sinicae,2006, (12): 28–32+175 (in Chinese)

[11] Wu Y L, Yang  C P, Wang  Q Y, Zhou  Y M, Liu  Y.Study on relationship between changes of endogenous hormones and flowering of Betula platyphylla. Journal of Liaoning Forestry Science & Technology, 2005, (4): 7–8+47 (in Chinese)

[12] Jiang J, Yang  C P, Liu  G F, Li  T H. Anatomic observation on male and female flower bud of Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University. 2001, (6): 7–10 (in Chinese)

[13] Song X S, Li  F B, Song  F N, Li  K L, Liu  X M. Morphological correlation of female flower development in birch. Journal of Northeast Forestry University, 2009, (10): 74–80 (in Chinese)

[14] Li K L, Jiang  J, Jiang Y,  Xia D A,  Yang C P,  Liu G F. Analysis of the genetic effects of seed and seedling traits of Betula platyphylla in a 5×5 complete diallel cross design. Journal of Northeast Forestry University, 2006, (4): 82–87 (in Chinese)

[15] Wang C, Xia  D A, Yang  C P, Jiang  J, Li H Y. The Relation between Hybrid andarents of Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 2004, (02): 1–4 (in Chinese)

[16] Wang C, Teng  W H, Li  K L, Zhang  H G, Xia  D A, Jiang  J. Analysis of genetic effects on growth traits in a 5×5 diallel cross of Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 2011, (3): 14–20 (in Chinese)

[17] Lin L, Mu  H Z, Yao  Q C, Liu  G F, Li  H Y, Jiang  J. Growth traits of triploid progenies in one year old from different crosses of Betula platyphylla Suk. Journal of Northeast Forestry University, 2012, (5): 1–5 (in Chinese)

[18] Liu Y, Xu  H W, Li  Z X, Jiang  J, Peng R S,  Shang F Q,  Zou J J,  Teng W H,  Liu G F. Growth performance and adaptability of Betula platyphylia offspring in the period of young forest. Journal of Zhejiang A & F University, 2015, (6): 853–860 (in Chinese)

[19] Liu Y, Xu  H W, Teng  W H, Jiang  J, Liu G F. Full-sib progeny test and early selection in superior families of Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 2017, (2):1–8 (in Chinese)

[20] Lin Y, Zhan  Y G, Liu  Y X, Luan  S H, Zhao  Z X, Li  J Y, Li  J T, Ding  Y, Lin D B. Anatomical observation on adventitious root formation in softwood cutting of Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 1996, (3): 15–19 (in Chinese)

[21] Zhan Y G, Yang  C P, Jin  Z F, Wang  Y C. Endogenous hormones and nutritive material in softwood cuttings of Betula platyphylla during rooting. Journal of Northeast Forestry University, 2001, (4): 1–4 (in Chinese)

[22] Zhan Y G, Li  J Y, Liu  J C, Li  L, Teng W H,  Wang H R,  Qin S H,  Liu Y X. Study on propagation techniques of softwood cuttings of Betula platyphylla (I). Journal of Northeast Forestry University, 1994, (2): 6–10 (in Chinese)

[23] Li J Y, Zhan  Y G, Liu  H, Teng W H,  Wang H R,  Lin Y, Zhang  W, Zhang P,  Peng H M. Study on propagation techniques of softwood cuttings of Betula platyphylla (II). Journal of Northeast Forestry University, 1995, (3): 10–15 (in Chinese)

[24] Su X F, Lin  D B, Li  L, Xia D A,  Jiang Y S,  Liu Y X,  Yang C P. Relationship between different grafting methods and survival rate of Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 1993, (6): 6–12 (in Chinese)

[25] Qiu S Z, Gong  Z Q, Liu  H N, Zhang  D Y, Yang  L. Survival influence factors of cutting and grafting for ornamental royal frost Betula. Forest Engineering, 2016, (4): 7–12+36 (in Chinese)

[26] Tao J, Zhan  Y G, You  X L, Yang  C P, Liu  Y X. Study on tissue culture and regeneration system of Betula platyphylla Suks (III) change of endogenous hormonesin tissue culture. Journal of Northeast Forestry University, 1998, (6): 7–10 (in Chinese)

[27] Tao J, Zhan  Y G, Jiang  J, Yang C P,  Liu Y X. Study on Tissue Culture and Regenerative System of Betula platyphylla Suks (I). Journal of Northeast Forestry University, 1998, (5): 7–10 (in Chinese)

[28] Tao J, Zhan  Y G, Jiang  J, Yang C P,  Liu Y X. Study on Tissue Culture and Regenerative System of Betula platyphylla Suks (II). Journal of Northeast Forestry University, 1998, (6): 1–5 (in Chinese)

[29] Liu F M, Mu  H Z, Liu  Z J, Li  Z X, Jiang  J, Liu G F. Inducing tetraploid of Betula platyphylla with different generations of seeds by colchicine. Journal of Beijing Forestry University, 2013, (3): 84–89 (in Chinese)

[30] Mu H Z, Liu  Z J, Lin  L, Li H Y,  Jiang J,  Liu G F. Transcriptomic analysis of phenotypic changes in birch (Betula platyphylla) autotetraploids. International Journal of Molecular Sciences, 2012, 13(10): 13012–13029

[31] Wang S, Zhao  H, Li M Y,  Jiang J.Analysis of IAA and ABA in leaf buds of different ploidy Betula platyphyllaSuk. Journal of Anhui Agricultural Sciences,2014, (27): 9418–9420 (in Chinese)

[32] Du L, Li  Y C, Mu  H Z, Zhang  T Y, Liu  F F, Huang  H J, Liu  G F. Photosynthetic characteristics of tetraploid and diploid Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 2011, (2): 1–4 (in Chinese)

[33] Mu HZ, Lin  L, Yu JG,  Jiang X L,  Zhang X,  Xia F C. Morphology and hysiology of autotetraploid Betula platyphylla responding to NaHCO₃ stress. Journal of Beihua University (Natural Science), 2016, (5): 585–589 (in Chinese)

[34] Wang S, Zhao  H, Yang C P,  Jiang J. Analysis and evaluation of triterpenoids in tetraploid birch (Betula). Journal of Northeast Forestry University, 2015, (9): 53–61 (in Chinese)

[35] Xu H W, Liu  Y, Li Y J,  Teng W H,  Jiang J,  Zhao X Y. Comparative analysis on seed vitality of different families produced in Betula pendula triploid seed orchard. Journal of Southwest Forestry College, 2013, (5): 34–39 (in Chinese)

[36] Liu Y, Xu  H W, Li  Z X, Teng  W H, Zhang  L F, Zou  J J, Shang  F Q, Liu  G F. Growth variation and stability analysis of birch crossbreed families. Bulletin of Botanical Research, 2015, (6): 937–944 (in Chinese)

[37] Jiang J, Jiang  Y, Yang CP,  Guo M, Li  K L, Liu  G F, Li  H Y. A preliminary study on space mutation breeding in Betula platyphylla.Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2006, (1): 27–31 (in Chinese)

[38] Huang H J, Li  K L, Liu  G F, Li  Z X, Teng  W H, Jiang  J. Preliminary study on early growth traits of Betula platyphylla. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2010, (6): 1148–1151 (in Chinese)

[39] Mu H, Lin  L, Liu G,  Jiang J. Transcriptomic analysis of incised leaf-shape determination in birch. Gene, 2013, 531(2): 263–269

[40] Lin L, Mu  H, Jiang J,  Liu G. Transcriptomic analysis of purple leaf determination in birch. Gene, 2013, 526(2): 251–258

[41] Qu G Z, Zheng  T, Liu G,  Wang W, Zang  L, Liu H,  Yang C. Overexpression of a MADS-box gene from birch (Betula platyphylla) promotes flowering and enhances chloroplast development in transgenic tobacco. PLoS One, 2013, 8(5): e63398

[42] Xing L, Liu  X M. Characterization of Betula platyphylla gene transcripts associated with early development of male inflorescence. Molecular Biology Reports, 2012, 39(2): 929–935

[43] Yin J, Ren  C L, Zhan  Y G, Li  C X, Xiao  J L, Qiu  W, Li X Y,  Peng H M. Distribution and expression characteristics of triterpenoids and OSC genes in white birch (Betula platyphylla suk.). Molecular Biology Reports, 2012, 39(3): 2321–2328

[44] Zhang R, Yang  C, Wang C,  Wei Z, Xia  D, Wang Y,  Liu G, Wang  Y. Time-course analyses of abscisic acid level and the expression of genes involved in abscisic acid biosynthesis in the leaves of  Betula platyphylla. Molecular Biology Reports, 2012, 39(3):  2505–2513

[45] Liu X, Wang  Q, Chen P,  Song F, Guan  M, Jin L,  Wang Y, Yang  C. Four novel cellulose synthase (CESA) genes from Birch (Betula platyphylla Suk.) involved in primary and secondary cell wall biosynthesis. International Journal of Molecular Sciences, 2012, 13(10): 12195–12212

[46] Liu X, Liu  Y, Liu C,  Guan M, Yang  C. Identification of genes associated with male sterility in a mutant of white birch (Betula platyphylla Suk.). Gene, 2015, 574(2): 247–254

[47] Zhang W, Yang  G, Mu D,  Li H, Zang  D, Xu H,  Zou X, Wang  Y. An ethylene-responsive factor BpERF11 negatively modulates salt and osmotic tolerance in Betula platyphylla. Scientific Reports, 2016, 6(1): 23085

[48] Zhan Y G, Wang  Y C, Wang  Z Y, Yang  C P, Liu  Z H, Li  C H. Genetic transformation of Betula platyphylla and insect resistance of transgenic plants. Journal of Plant Physiology and molecular biology, 2003, (5): 380–386 (in Chinese)

[49] Zeng F, Qian  J, Luo W,  Zhan Y, Xin  Y, Yang C. Stability of transgenes in long-term micropropagation of plants of transgenic birch (Betula platyphylla). Biotechnology Letters, 2010, 32(1): 151–156

[50] Zhang Y, Wang  Y, Wang C. Gene overexpression and gene silencing in birch using an Agrobacterium-mediated transient expression system. Molecular Biology Reports, 2012, 39(5): 5537–5541

[51] Wang Z Y, Fan  H J, Xue  Z, Zhan Y. Division of resistance grades of transgenic birch and its influence on larval midgut. 2005, (3): 38–39+66 (in Chinese)

[52] Zhang W, Wei  R, Chen S,  Jiang J,  Li H, Huang  H, Yang G,  Wang S, Wei  H, Liu G. Functional characterization of CCR in birch (Betula platyphylla × Betula pendula) through overexpression and suppression analysis. Physiologia Plantarum, 2015, 154(2): 283–296

[53] Huang H, Chen  S, Li H,  Jiang J. Next-generation transcriptome analysis in transgenic birch overexpressing and suppressing APETALA1 sheds lights in reproduction development and diterpenoid biosynthesis. Plant Cell Reports, 2015, 34(9): 1663–1680

[54] Guo H, Wang  Y, Wang L,  Hu P, Wang  Y, Jia Y,  Zhang C,  Zhang Y,  Zhang Y,  Wang C, Yang  C. Expression of the MYB transcription factor gene BplMYB46 affects abiotic stress tolerance and secondary cell wall deposition in Betula platyphylla. Plant Biotechnology Journal, 2017, 15(1): 107–121

[55] Zhao X, Zheng  T, Shao L,  Xiao Z, Wang  F, Li S,  Zang L, Zheng  M, Li Y,  Qu G Z. Variation analysis of physiological traits in Betula platyphylla overexpressing TaLEA-ThbZIP gene under salt stress. PLoS One, 2016, 11(11): e0164820

[56] Zhou C, Li  C. A novel R2R3-MYB transcription factor BpMYB106 of birch (Betula platyphylla) confers increased photosynthesis and growth rate through up-regulating photosynthetic gene expression. Frontiers in Plant Science, 2016, 7: 315

[57] Wang C, Wang  Y C, Diao  G P, Jiang  J, Yang C P. Isolation and characterization of expressed sequence tags (ESTs) from cambium tissue of birch (B. platyphylla). Plant Molecular Biology Reporter, 2010, 28(3): 438–449

[58] Guo H Y, Wang  Y C, Hu  P, Wang Y M,  Jiang Y,  Yang C P,  Wang C. Gene expression profiles in different stem internodes reveal the genetic regulation of primary and secondary stem development in Betula platyphylla. Tree Genetics & Genomes, 2016, 12(6): 113

[59] Guo H, Wang  Y, Liu H,  Hu P, Jia  Y, Zhang C,  Wang Y, Gu  S, Yang C,  Wang C. Exogenous GA₃ application enhances xylem development and induces the expression of secondary wall biosynthesis related genes in Betula platyphylla. International Journal of Molecular Sciences, 2015, 16(9): 22960–22975

[60] Jiang T B, Li  S C, Gao  F L, Ding  B J, Qu  Y J, Tang  X H, Liu  G F, Jiang  J, Yang C P. Genetic linkage map of Betula pendula Roth. and Betula platyphylla Suk. based on random amplified polymorphisms DNA markers. Hereditas, 2007, (7): 867–873 (in Chinese)

[61] Wang Y M, Wei  Z G, Yang  C P. Dateming for SSRs in ESTs and EST-SSR marker development in Betula platyphylla. Scientia Silvae Sinicae, 2008, (9): 1–4 (in Chinese)

[62] Wang D, Wei  Z G, Yang  C P, Liu  G J. Analysis and identification of SCAR molecular markers associated with birch fiber length trait. Journal of Forestry Research, 2008, (4): 288–292+350 (in Chinese)

[63] Zhang X L, Zhang  K X, Yang  C P, Qu  G Z, Liu  G F, Wei  Z G. Construction and optinization of SPAR rection system for Betula platyphylla. Journal of Northeast Forestry University, 2010, (9): 1–3 (in Chinese)

[64] Wei Z G, Yang  C P, Pan  H. Identification of molecular markers associated with birch fiber length trait by multiple regression analysis. Molecular Plant Breeding, 2006, (6): 835–840

[65] Xia D, Wei  Z G, Yang  C P, Liu  G J. Analysis of ISSR and SCAR marker associated with birch fiber length trait. Journal of Northeast Forestry University, 2008, (9): 1–4 (in Chinese)

[66] Lv C Y, Zhou  B R, Wang  L, Wu L L,  Jiang T B. Genetic linkage maps of Betula platyphylla Suk. and Betula pendula Roth. based on RAPD and AFLP. Plant Physiology, 2009, (8): 775–780

[67] Gao Y C, Wei  Z G, Yang  C P, Liu  G F, Liu  G J. A 10-year-old provenance trial of Betula platyphylla in the Maoershanarea of Heilongjiang Province. Journal of Zhejiang Forestry College, 2016, (5): 50–57 (in Chinese)

[68] Li S C, Gao  F L, Jiang  T B. Analysis of genetic linkage groups on birch using RAPD markers. Scientia Silvae Sinicae, 2008, (5): 155–159 (in Chinese)

Acknowledgements

This work was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2013AA102700) and National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (2012BAD21B02).

Compliance with ethics guidelines

Chuanping Yang declares that he has no conflict of interest or financial conflict to disclose.

This article is a review and does not contain any studies with human or animal subjects performed by the author.

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. Published by Higher Education Press. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)