Molecular and genetic analyses of aggressiveness in Fusarium graminearum populations and variation for Fusarium head blight resistance in durum wheat

Abstract

Fusarium head blight (FHB) is a devastating disease of wheat, barley and other cereals, which affects all wheat-growing areas of the world. The most prevalent species are Fusarium graminearum Schwabe (teleomorph: Gibberella zeae (Schweinitz) Petch) and Fusarium culmorum (W. G. Smith) Saccardo. Wheat breeding for FHB resistance has become the most effective and cost efficient strategy to combat this disease. Assisting long term stable breeding programs need a better understanding of the biology and dynamic changes of the population structure. Deoxyninalenol (DON) has the most economical impact among the other mycotoxin secreted by this fungus. Several chemotypes characterizes F. graminearum isolates. All chemotypes (3-ADON, 15-ADON, and NIV) were detected in Europe. The prevalent chemotype in Germany and UK is 15-ADON. Population structure is the result of evolutionary forces acting on the population in time and space together with mutation, recombination, and migration enhancing the genetic variance of a population, random drift and the selection reducing it. Aggressiveness in F. graminearum denotes the quantity of disease induced by a pathogenic isolate on a susceptible host in a non-race specific pathosystem, and is measured quantitatively. The quantitative traits such as aggressiveness and DON production mirror both the environmental changes and the genetic variation. Several genes are responsible for DON production; majority of these genes are grouped in TRI5 cluster. Few genes are known to be associated with F. graminearum aggressiveness such as MAP kinase genes, RAS2, and TRI14. Association between single nucleotide polymorphism and genetic variation of aggressiveness and DON production traits provide a clear identification of quantitative participation of different SNPs in expressing the trait. Also, this approach provides a good method to test the association between candidate genes and the traits. The objectives of this research were to (1) screen some durum wheat landraces for FHB resistance; (2) determine the genetic and chemotypic structure of natural population of F. graminearum in Germany; (3) determine the phenotypic variation in Aggressiveness and DON production, which come out one farmer wheat field; (4) compare the phenotypic variation and genetic variation occurring in one wheat field; and (5) associate the phenotypic traits with SNPs in candidate genes. Screening for FHB resistance was performed on sixty-eight entries form the Syrian landraces. The main characters of selection for resisting FHB disease are low mean value of infection and stability in different environments. Four genotypes (ICDW95842, ICDW92330, ICDW96165, Chahba) had small mean FHB value, small value of deviation form regression, and regression coefficient close to zero. These genotypes were considered as candidate resistant sources of FHB for further agronomic performance analysis through backcrossing generation. The causal agent of FHB in Germany is F. graminearum s.s. with a dominating rate of 64.9 % (out of 521 Fusarium spp. isolates). Nonetheless, the three chemotypes were detected in Germany and some times within one wheat field. The 15-ADON chemotype dominated the populations of F. graminearum s.s. in Germany followed by 3-ADON then NIV chemotype (92, 6.8, and 1.2%, respectively). High genetic diversity (Nei?s gene diversity ranged form 0.30 to 0.58) was detected on a single wheat field scale. Analysis of molecular variance (AMOVA) revealed a higher variance within populations (71.2%) than among populations (28.8%). Populations of F. graminearum s.s. in Germany display a tremendous genetic variation on a local scale with a restricted diversity among populations. Surprisingly the phenotypic variation of aggressiveness and DON production revealed a similar partitioning scale as the genetic variation. In other words, analyses of variance (ANOVA) revealed a higher variance within populations (72%) than between (28%) populations. The wide spectrum of aggressiveness (i.e., from 18 to 39%) and DON production (from 0.3 to 23 mg kg-1) within single wheat field simulate the global variation in both traits. Consequently, associating the observed variation of aggressiveness and DON production with detected single nucleotide polymorphism (SNPs) in some candidate genes revealed few but significant associations. According to Bonferroni-Holm adjustment, three SNPs were associated significantly with the aggressiveness, two in MetAP1 and one in Erf2 with explained proportions of genotypic variance (pG) of 25.6%, 0.5%, and 13.1%, respectively. One SNP in TRI1 was significantly associated with DON content on TRI1 (pG=4.4). The rapid decay of the LD facilitate a better high resolution of the association approach and is in turn suggest the need of higher number of SNP marker to facilitate a genome wide association study. The linkage disequilibrium between unlinked genes suggests the involvement of these genes in the same biosynthesis network. In conclusion, building wheat breeding program for FHB resistance depend initially on identifying sources of resistance among wheat varieties or wild relatives. Moreover, understanding the population structure of the pathogen and the selection forces causing genetic alteration of the population structure enable us employ a sufficient increase of the host resistance. Keeping such a balanced equilibrium between increasing host resistance and changes occur in genetic structure of F. graminearum population would insure no application of additional selection pressure. Further association of candidate genes with aggressiveness can provide effective information of the population development. Continuous observation of Fusarium population?s development is needed to insure a stable management of Fusarium head blight disease.

Ährenfusarium gilt als schwerwiegende, ertrags- und qualitätsmindernde Krankheit, welche Weizen, Gerste und anderen Getreidearten befällt. Sie tritt weltweit in sämtlichen Anbaugebieten von Weizen auf und wird durch unterschiedliche Schimmelpilze verursacht. Die häufigsten Gattungen hiervon sind Fusarium graminearum Schwabe (teleomorph: Gibberella zeae (Schweinitz) Petch) und Fusarium culmorum (W. G. Smith) Saccardo. Da andere Maßnahmen zur Krankheitsbekämpfung nicht ausreichend sind, gilt heute die Resistenzzüchtung als effektivste und kosteneffizienteste Herangehensweise um der Anfälligkeit von Weizen gegenüber Ährenfusarium entgegenzutreten. Für die Etablierung langfristiger und stabiler Zuchtprogramme sind jedoch mehr Kenntnisse über die Biologie und Populationsdynamik der Fusarium Gattungen notwendig. Neben Ertrags- und Qualitätsverlusten führen Ährenfusariosen zusätzlich zur Belastung der Körner mit Mykotoxinen, welche von den Pilzen gebildet werden. Die größte wirtschaftliche Bedeutung unter den Mykotoxinen besitzt Deoxyninalenol (DON). Charakteristisch für Isolate dieses Mykotoxins aus F. graminearum ist das Vorkommen verschiedener Chemotypen. In Europa wurden alle Chemotypen (3-ADON, 15-ADON und NIV) nachgewiesen, wobei 15-ADON als häufigster in Deutschland und Großbritannien gilt. Populationsstrukturen sind bedingt durch Evolution in einem gewissen zeitlichen und räumlichen Rahmen in Verbindung mit Mutation, Rekombination und Migration, welche die genetische Variation einer Population erhöhen und zufälliger genetischer Drift und Selektion, welche sie verringern. Die Aggressivität von F. graminearum wird beschrieben als Ausmaß der Krankheit induziert durch ein pathogenes Isolat auf einer anfälligen Wirtspflanze in einem nicht rassenspezifischen Pathosystem und wird quantitativ bestimmt. Quantitative Merkmale wie Aggressivität und DON Bildung spiegeln sowohl Veränderungen der Umwelt als auch genetische Variation wider. Die Bildung von DON ist durch mehrere Gene beeinflusst, wobei die Mehrheit der Gene in TRI5 Clustern gruppiert ist. Es ist bekannt, dass einige Gene wie MAP Kinase Gene, RAS2 und TRI14 eine Verbindung mit der Aggressivität von F. graminearum aufweisen. Assoziationen zwischen SNPs (single nucleotide polymorphisms) und der genetischen Variation der Aggressivität, wie auch Merkmalen, die mit der Bildung von DON in Verbindung stehen, ermöglichen eine Identifizierung der quantitativen Beteiligung verschiedener SNPs an der Merkmalsausprägung. Zusätzlich bietet dieser Ansatz eine gute Methode um die Assoziation zwischen Kandidatengenen und den Merkmalen von Interesse zu testen. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren (1) mehrere Hartweizen Landrassen auf Ährenfusarium-Resistenz zu überprüfen, (2) die genetische und chemotypische Struktur einer in Deutschland natürlich vorkommenden F. graminearum Population zu bestimmen, (3) die phänotypische Variation der Aggressivität und DON Bildung zu bestimmen, die auf dem Weizenfeld eines Landwirts vorkamen, (4) die phänotypische und genetische Variation, die auf einem Weizenfeld vorzufinden war, zu vergleichen und (5) die phänotypischen Daten mit SNPs aus Kandidatengenen zu assoziieren. Das Screening auf Resistenz gegen Ährenfusarium wurde an 68 Prüfgliedern von Landrassen aus Syrien durchgeführt. Die Hauptkriterien der Selektion auf Ährenfusarium-Resistenz sind ein geringer Mittelwert in Bezug auf Infektion sowie Stabilität in verschiedenen Umwelten. Vier Genotypen (ICDW95842, ICDW92330, ICDW96165, Chahba) zeigten einen geringen mittleren Wert für Ährenfusarium, eine geringe Abweichung von der Regression, und einen Regressionskoeffizienten nahe null. Diese Genotypen werden als potentielle Resistenzquellen gegen Ährenfusarium im Backcross-Verfahren angesehen und auf agronomische Leistung getestet. Der Haupterreger von Ährenfusarium in Deutschland ist mit einer Rate von 64,9% (aus 521 Fusarium spp. Isolaten) F. graminearum s.s. Nichtsdestotrotz wurden in Deutschland alle drei Chemotypen, teilweise sogar innerhalb eines Weizenfeldes, nachgewiesen. Die F. graminearum s.s. Populationen in Deutschland wurden vom15-ADON Chemotyp dominiert, gefolgt von 3-ADON und NIV mit einem jeweiligen Anteil von 92, 6,8 beziehungsweise 1,2%. Innerhalb eines einzelnen Weizenfeldes wurde eine hohe genetische Diversität festgestellt (die genetische Diversität nach Nei reichte von 0,3 bis 0,58). Die Analyse der molekularen Varianz (AMOVA) zeigte eine höhere Varianz innerhalb der Populationen (71,2%) als zwischen den Populationen (28,8%). F. graminearum Populationen in Deutschland zeigen eine große genetische Variation auf lokaler Ebene mit eingeschränkter Diversität zwischen Populationen. Überraschenderweise zeigte die phänotypische Variation der Aggressivität und DON Bildung eine ähnliche Verteilung wie die genetische Variation. Die Varianzanalyse zeigte eine höhere Varianz innerhalb der Populationen (72%) als zwischen den Populationen (28%). Das große Spektrum der Aggressivität (z.B. von 18 bis 39%) und DON Bildung (von 0,3 bis 23 mg kg-1) innerhalb eines einzelnen Weizenfeldes bildet die globale Variation beider Merkmale nach. Infolgedessen zeigte eine Assoziation der beobachteten Variation der Aggressivität und DON Bildung mit den ermittelten SNPs in machen der Kandidatengene geringe aber signifikante Verbindungen. Nach der Bonferroni-Holm Korrektur waren drei SNPs signifikant mit der Aggressivität gekoppelt (zwei in MetAP1 und eins in Erf2) mit erklärten genotypische Varianzen (pG) von je 25,6, 0,5 und 13,1%. Ein SNP in TRI1 war signifikant mit dem DON Gehalt auf TRI1 gekoppelt (pG=4,4). Der schnelle Abfall des LD ermöglicht eine bessere Feinauflösung des Assoziationsansatzes, deutet aber wiederum auf die Notwendigkeit einer größeren Anzahl SNP Marker hin, um eine genomweite Assoziationsstudie durchführen zu können. Das Gametenphasenungleichgewicht zwischen ungekoppelten Genen legt die Beteiligung dieser Gene am gleichen Biosynthese-Netzwerk nahe. Zusammenfassend ist zu sagen, dass der Aufbau eines Weizenzuchtprogramms für Ährenfusarium-Resistenz zunächst von der Identifikation von Resistenzquellen aus Weizen- Sorten oder Wildtypen abhängt. Zusätzlich ermöglicht das Verständnis der Populationsstruktur des Pathogens und die Selektionskräfte, die genetische Veränderungen der Populationsstruktur bewirken, einen ausreichenden Anstieg der Resistenz der Wirtspflanze zu erzielen. Wird dieses Gleichgewicht zwischen ansteigender Resistenz der Wirtspflanze und Änderungen in der genetischen Struktur von F. graminearum gehalten, würde das keinen zusätzlichen Selektionsdruck bedeuten. Weitere Assoziation von Kandidatengenen mit der Aggressivität kann nützliche Informationen zur Entwicklung der Population liefern. Eine kontinuierliche Beobachtung der Entwicklung von Fusarium Populationen ist notwendig um ein dauerhaftes Krankheitsmanagement von Ährenfusarium zu gewährleisten.