Improving host resistance to Fusarium head blight in wheat (Triticum aestivum L.) and Gibberella ear rot in maize (Zea mays L.)

Abstract

Fusarium head blight (FHB) in wheat and Fusarium (FER) and Gibberella ear rot (GER) in maize are major cereal diseases which reduce yield and contaminate kernels with several mycotoxins. In Europe, these diseases contribute to significant yield gaps and high mycotoxin risks across countries. However, existing management strategies related to agronomic practices are not fully effective, with some of them being cost-prohibitive. Enhancing host plant resistance is additionally required for managing the diseases more effectively and sustainably. Unfortunately, breeding for FHB resistance is challenged by complex interactions with morphological traits and the quantitative nature of the trait. In maize, available genetic resources have not been fully exploited to improve GER resistance in elite materials. In this work, we elucidated the complex interactions between FHB resistance and morphological traits, like plant height (PH) and anther retention (AR) in wheat. The effect of reduced height (Rht) gene Rht24 on AR and the contribution of genomic background (GB) to FHB resistance in semi-dwarf genotypes were also assessed. GB refers to all genomic loci, except major Rht genes, that affect the traits. To achieve this, 401 winter wheat cultivars were evaluated across five environments (location × year combination). All cultivars were genotyped using Illumina 25 K Infinium single-nucleotide polymorphism array. We performed correlation and path coefficient analysis, and combined single and multi-trait genome-wide association studies (GWAS). Our findings revealed significant genotypic correlations and path effects between FHB severity with PH and AR, which were controlled by several pleiotropic loci. FHB severity and PH shared both negatively and positively acting pleiotropic loci, while only positively acting pleiotropic loci were detected between FHB severity and AR. Rht-D1 is a major pleiotropic gene which exerted a negative effect on FHB resistance. These pleiotropic loci contribute to our understanding of the complex genetic basis of FHB resistance, and their exploitation can help to simultaneously select for FHB resistance with PH and AR. Contrary to Rht-D1b, Rht24b had no negative effect on FHB resistance and AR. This exhibits Rht24 as an important FHB-neutral Rht gene which can be integrated into breeding programs. Genomic estimated breeding values (GEBV) were calculated for each cultivar to assess GB. We observed highly negative GEBV for FHB severity within resistant wheat cultivars. Susceptible cultivars exhibited positive GEBV. Genomic prediction has a great potential and can be exploited by selecting for semi-dwarf winter wheat genotypes with higher FHB resistance due to their genomic background resistance. To tackle maize ear rot diseases, refined and stable quantitative trait loci (QTL) harboring candidate genes conferring resistances to FER and GER were identified. The effectiveness of introgression of two European flint landraces, namely “Kemater Gelb Landmais” (KE) and “Petkuser Ferdinand Rot” (PE) was evaluated. The prediction accuracy of using line performance as a predictor of hybrid performance for GER resistance was also evaluated within the two landraces. We applied a meta-QTL (MQTL) analysis based on 15 diverse SNP-based QTL mapping studies and performed gene expression analysis using published RNA-seq data on GER resistance. In total, 40 MQTL were identified, of which 14 most refined MQTL harbored promising candidate genes for use in breeding programs for improving FER and GER resistances. 28 MQTL were common to both FER and GER, with most of them being shared between silk (channel) and kernel resistances. This highlights the co-inheritance of FER and GER resistances as well as types of active resistance. Resistance genes can be transferred into elite cultivars by integrating refined MQTL into genomics-assisted breeding strategies. Afterwards, four GER resistant doubled haploid (DH) lines from both KE and PE landraces were crossed with two susceptible elite lines to generate six bi-parental populations with a total of 534 DH lines which were evaluated for GER resistance. GER severity within the six landrace-derived populations were reduced by 39−61% compared to the susceptible elite lines. Moderate to high genetic advance was observed within each population, and the use of KE landrace as a donor was generally more effective than PE landrace. This shows promise in enhancing resistance to GER in elite materials using the European flint landraces as donors. Furthermore, per se performance of 76 DH lines from both landraces was used to predict GER resistance of their corresponding testcrosses (TC). Moderate phenotypic and genomic prediction accuracy between TC and line per se performance was found for GER resistance. This implies that pre-selecting lines for GER resistance is feasible; however, TC should be additionally tested on a later selection stage to aim for GER-resistant hybrid cultivars.

Ährenfusariosen (FHB) bei Weizen und Fusarium- (FER) und Gibberella-Kolbenfäule (GER) bei Mais sind wichtige Getreidekrankheiten. In Europa tragen diese Krankheiten zu erheblichen Ertragseinbußen und hohen Mykotoxinrisiken in den einzelnen Ländern bei. Die bestehenden Kontrollstrategien im Zusammenhang mit pflanzenbaulichen Praktiken sind jedoch nicht voll wirksam, und einige von ihnen sind zu kostspielig. Um die Krankheiten wirksamer und nachhaltiger zu bekämpfen, muss deshalb die Resistenz der Wirtspflanzen gestärkt werden. Leider wird die Züchtung auf FHB-Resistenz durch komplexe Wechselwirkungen mit morphologischen Merkmalen und der quantitativen Natur des Merkmals erschwert. Bei Mais wurden die verfügbaren genetischen Ressourcen bisher nicht vollständig genutzt, um die GER-Resistenz von Elitematerial zu verbessern. In dieser Arbeit haben wir die komplexen Wechselwirkungen zwischen FHB-Resistenz und morphologischen Merkmalen wie Wuchshöhe (PH) und Antherenretention (AR) bei Weizen aufgeklärt. Außerdem wurden die Auswirkungen des Gens Rht24 für reduzierte Wuchshöhe (reduced height, Rht) auf AR und der Beitrag des genomischen Hintergrunds (GB) zur FHB-Resistenz bei kurzstrohigen Genotypen untersucht. GB bezieht sich auf alle Genloci, mit Ausnahme der bekannten Rht-Gene, die die jeweiligen Merkmale beeinflussen. Zu diesem Zweck wurden 401 Winterweizensorten in fünf Umwelten (Ort × Jahr-Kombinationen) bewertet. Alle Sorten wurden mit dem Illumina 25k Infinium Single-Nukleotid-Polymorphismus-Array genotypisiert. Wir führten Korrelations- und Pfadkoeffizientenanalysen durch und kombinierten genomweite Assoziationsstudien (GWAS) mit einzelnen bzw. mehreren Merkmalen. Unsere Ergebnisse zeigten signifikante genotypische Korrelationen und Pfadeffekte zwischen FHB-Befallsstärke und PH und AR, die von mehreren pleiotropen Loci kontrolliert wurden. FHB-Befallsstärke und PH hatten sowohl negativ als auch positiv wirkende pleiotrope Loci gemeinsam, während zwischen FHB-Befallsstärke und AR nur positiv wirkende pleiotrope Loci gefunden wurden. Rht-D1 ist ein wichtiges pleiotropes Gen, dessen kurzstrohiges Allel einen negativen Einfluss auf die FHB-Resistenz ausübt. Diese pleiotropen Loci tragen zu unserem Verständnis der komplexen genetischen Grundlage der FHB-Resistenz bei, und ihre Nutzung kann dazu beitragen, gleichzeitig mit verringerter PH und AR auf FHB-Resistenz zu selektieren. Im Gegensatz zu Rht-D1b hatte Rht24b keine Auswirkungen auf FHB-Resistenz und AR. Dies zeigt, dass Rht24 ein wichtiges FHB-neutrales Rht-Gen ist, das in Zuchtprogramme integriert werden kann. Zur Bewertung des GB wurden für jede Sorte genomisch geschätzte Zuchtwerte (GEBV) berechnet. Bei resistenten Weizensorten beobachteten wir einen stark negativen GEBV für FHB-Befallsstärke. Anfällige Sorten wiesen einen positiven GEBV auf. Die genomische Vorhersage hat ein großes Potenzial und kann durch die Selektion von kurzstrohigen Winterweizengenotypen mit höherer FHB-Resistenz aufgrund ihrer genomischen Hintergrundresistenz genutzt werden. Zur Bekämpfung von Mais-Kolbenfäule wurden stabile quantitative Merkmalsloci (QTL) identifiziert, die Kandidatengene für Resistenzen gegen FER und GER beherbergen. Die Wirksamkeit der Introgression von Resistenzen aus zwei europäischen Flint-Landrassen, nämlich "Kemater Gelber Landmais" (KE) und "Petkuser Ferdinand Rot" (PE), wurde bewertet. Die Vorhersagegenauigkeit der Verwendung der Linienleistung als Vorhersage für die Hybridleistung bei der GER-Resistenz wurde ebenfalls innerhalb der beiden Landrassen bewertet. Wir haben eine Meta-QTL-Analyse (MQTL) auf der Grundlage von 15 SNP-basierten QTL-Kartierungsstudien durchgeführt und eine Genexpressionsanalyse anhand veröffentlichter RNAseq-Daten zur GER-Resistenz vorgenommen. Insgesamt wurden 40 MQTL identifiziert, von denen die 14 stabilsten MQTL vielversprechende Kandidatengene für den Einsatz in Zuchtprogrammen zur Verbesserung von FER- und GER-Resistenzen enthielten. 28 MQTL waren sowohl für FER- als auch GER-Resistenz verantwortlich, wobei die meisten sowohl für Narbenfaden- als auch Körnerresistenz verantwortlich waren. Die Resistenz kann in Elitesorten übertragen werden, indem präzisierte MQTL in genomgestützte Züchtungsstrategien integriert werden. Anschließend wurden vier GER-resistente doppelhaploide (DH) Linien aus KE- und PE-Landrassen mit zwei anfälligen Elitelinien gekreuzt, um sechs bi-parentale Populationen mit insgesamt 534 DH-Linien zu erzeugen, die mehrortig auf GER-Resistenz untersucht wurden. Der GER-Befallsstärke war bei den sechs von Landrassen abgeleiteten Populationen im Vergleich zu den anfälligen Elitelinien im Mittel um 39-61% reduziert. Durch Einkreuzung der jeweiligen Population kann ein mäßiger bis hoher genetischer Fortschritt erzielt werden, die Verwendung der KE-Landrasse als Spender war effektiver als die der PE-Landrasse. Dies ist ein vielversprechender Ansatz, um die Resistenz von Elitematerialien gegen GER zu verbessern. Darüber hinaus wurde die Leistung von 76 DH-Linien aus beiden Landrassen zur Vorhersage der GER-Resistenz der entsprechenden Testkreuzungen (TC) verwendet. Für die GER-Resistenz wurde eine mäßige phänotypische und genomische Vorhersagegenauigkeit zwischen TC und der Leistung der Linie festgestellt. Eine Vorselektion von Linien auf GER-Resistenz ist deshalb möglich; die Leistung der TC sollte jedoch in einer späteren Selektionsphase zusätzlich getestet werden, um GER-resistente Hybridsorten zu erhalten.